Плазменная сварка и наплавка. Плазменная наплавка Проволочный плазменный распылитель для наплавки

От других методов она отличается тем, что нагрев и плавление материала покрытия и поверхностного слоя основы осуществляется плазменной струей

Рисунок - Схема плазменной наплавки с вдуванием порошка в дугу:

1 - вольфрамовый электрод; 2 - источник питания дуги косвенного действия; 3 - внутреннее сопло; 4 - плазменная струя косвенного действия; 5 - наружное сопло; 6 - плазменная струя прямого действия; 7 - источник прямого действия

В зону наплавки подается наплавочная проволока, порошок или при комбинированном способе одновременно порошок и проволока (например, для восстановления изношенных деталей автомобиля на Витебском мотороремонтном заводе применяют 75…80% проволоки Св-08Г2С и 20…25% самофлюсующегося порошка ПГ-СРУ).

В качестве плазмообразующего газа используется аргон. Замена его (до 90%) значительно снижает стоимость восстановления деталей.

Плазмотроны могут быть прямого, косвенного, комбинированного действия, одно- и многодуговые, прямой и обратной полярности.

Весьма эффективны для плазменной наплавки самофлюсующиеся диффузионно-легированные порошки, на железной основе, разработанные научной школой проф. Пантелеенко Ф.И. (БНТУ). Они позволяют получать наплавленные покрытия с требуемой твердостью, износо- и коррозионной стойкостью (диапазон твердости от 20 до 65 HRC, и более).

Указанная школа имеет значительный опыт восстановления изношенных деталей (валов, штоков, шпинделей, защитных гильз и т.п.) для теплоэнергетики, нефтехимии, целлюлозно-бумажной промышленности стран СНГ.

Плазменная наплавка - один из самых производительных, универсальных и экономичных методов нанесения покрытий толщиной от десятых долей до нескольких миллиметров.

Преимущество плазменной наплавки по сравнению с другими способами:

-минимальный припуск на механическую обработку (0,4…0,9 мм)
-минимальная глубина проплавления основы (0,3…3,5 мм) и зона термического влияния (3…6 мм)
-минимальные тепловложения в основу

Плазменная наплавка целесообразна для восстановления крупногабаритных деталей большой длины и диаметром более 20 мм из углеродистых и легированных сталей (например, коленчатых валов, валов насосов бумагоделательных машин и т.п.)

Наплавка ведется на установке скоростной плазменной наплавки (источник питания УПС-301, плазмотрон СИБ-4, сила тока 90…170А, напряжение 30…35В, поперечная подача плазмотрона 1,5…2 мм/об, дистанция наплавки 8…10 мм).

Наиболее приемлем диффузионно-легированный самофлюсующийся порошок на основе ПР-Сталь 45 с гранулометрическим составом 40…160 мкм. Расход порошка 35 г/мин, толщина наплавленного слоя за проход 0,5…1,5мм, твердость - требуемая (диапазон 20…60 HRC).

Электромагнитная наплавка или МЭУ, заключается в том, что в зазор между полюсным наконечником и деталью, подается ферромагнитный порошок, который под воздействием магнитного поля выстраивается в зазоре в виде цепочек. Прилагаемое к полюсному наконечнику и детали электрическое поле вызывает нагрев частиц, их оплавление и закрепление на восстанавливаемой поверхности.

Применяют различные порошки ферросплавов, сталей, чугунов и диффузионно-легированные порошки на железной основе.

Покрытия шероховаты, специфичны (толщиной до 0,6 мм), однако весьма эффективны для упрочнения плоских и цилиндрических поверхностей ножей сельскохозяйственной техники, восстановления деталей с малыми износами. Начатые в этом направлении учеными БГАТУ работы получили в последние годы развитие в ГГТУ им. П.О.Сухого и БНТУ.

Лазерная наплавка при которой в качестве источника тепла используют концентрированный луч лазера. Лазер позволяет наплавлять покрытия, оплавлять предварительно напыленные или нанесенные в виде шликера покрытия. Исключительная локальность пучка и высокая плотность энергии предопределяют его преимущественные области применения и наибольшую эффективность при восстановлении малых поверхностей (5…50 мм2) с местным износом 0,1…1,0 мм.

Чаще всего лазерной наплавкой восстанавливают кулачки распредвалов, фаски клапанов, оси фильтров тонкой очистки масла и т.п.

Значительных успехов в лазерной наплавке и упрочнении добились ученые ФТИ НАН Беларуси, БНТУ.

Электронно-лучевая наплавка (ЭЛН) заключается в оплавлении присадочного материала электронным лучом. Во многом этот способ схож со способом лазерной наплавки (по локальности, эффективности)

В последние годы российскими учеными (г. Томск) и школой проф. Груздева В.А. (ПГУ, г. Новополоцк) создан высокоэффективный электронно-лучевой комплекс на базе плазменного источника электронов. Он прост в обслуживании, не требует глубокого вакуума. ЭЛН производительнее индукционной наплавки в 10…15 раз, применима для наплавки любых материалов.

Индукционная наплавка основывается на использовании токов высокой частоты для нагрева металла детали и наплавляемого материала. Деталь с нанесенной шихтой вводят в индуктор ТВЧ установки. ТВЧ проходя через контур индуктора возбуждают в поверхностном слое детали токи Фуко, которые нагревают поверхность детали. От нагретой поверхности нагревается и оплавляется более легкоплавкая шихта, формируя покрытие.

Шихта (наплавочный порошок и флюс) может не включать флюс, если порошок является самофлюсующимся.

Следует заметить, что применение недорогих самофлюсующихся порошков, в том числе разработанных в БНТУ, самозащитных порошковых проволок позволяет отказаться при многих способов наплавки от применения дорогих защитных газов и тем значительно удешевить технологию нанесения защитных покрытий.

Значительных успехов в разработке технологии индукционной наплавки для промышленности Беларуси добились ученые Объединенного института машиностроения НАН Беларуси (ОИМ НАН Беларуси).

Электроконтактная приварка состоит в закреплении проволоки, порошка, ленты мощными импульсами тока (7…30 кА) при приложении давления (1000…1600 Н). При этом материал основы и наносимого покрытия (порошка, ленты) подплавляется на границе их в месте максимального электросопротивления (рис. 2.5).

Преимуществами электроконтактной приварки по сравнению с дуговыми способами наплавки являются:

- более высокая (в 2…3 раза) производительность
-меньший (в 3…4 раза) расход материалов за счет сокращения потерь на разбрызгивание и минимального припуска на механическую обработку
-минимальные тепловложения в основу и отсутствие деформаций
-отсутствие угара легирующих элементов
-простота и экономичность

Рисунок 2.5 - Схема электроконтактной приварки ленты:

1 и 3 - ролики; 2 - восстанавливаемая деталь; 4 - трансформатор; 5 _ контактор

Способ эффективен для восстановления шеек валов, других нагруженных цилиндрических поверхностей, отверстий в гильзах и блоках цилиндров и развивается в ОИМ НАН Беларуси

При плазменной наплавке в отличие от аргоиодуговой наплавки электрическая дуга сжимается стенками водоохлаждаемого сопла. Для плазменной наплавки в воздушной среде разработаны порошковые сплавы на железной основе в состав которых входят сильные раскислители и нитридообразующие элементы. Плазменную струю получают с помощью плазмотронов которые по различным классификационным признакам образуют следующие группы: по способу взаимодействия дугового разряда с изделием прямого действия косвенного комбинированного; по способу сжатия дугового...

Поделитесь работой в социальных сетях

Если эта работа Вам не подошла внизу страницы есть список похожих работ. Так же Вы можете воспользоваться кнопкой поиск

Лекция 12

Плазменная наплавка

Плазменная наплавка - это процесс нанесения покрытий плазменной струей, когда деталь включена в цепь тока нагрузки. В этом случае с помощью плазменной струи нагреваются поверхность восстанавливаемой детали и наносимый материал. Материал перемещается плазменной струей. Температура ее может превышать 20 ООО К.

При плазменной наплавке в отличие от аргоиодуговой наплавки электрическая дуга сжимается стенками водоохлаждаемого сопла. Газ, продуваемый сквозь эту дугу, приобретает свойства плазмы - становится ионизированным и электропроводящим. Слой газа, соприкасающийся со стенками сопла, интенсивно охлаждается, утрачивает электропроводность и выполняет функции электрической и тепловой изоляции, что приводит к уменьшению диаметра плазменной струи, который составляет 0,7 диаметра сопла.

В качестве плазмообразующего газа чаще применяется аргон (табл. 3.55). Наплавка с заменой аргона воздухом (до 90%) значительно снижает стоимость восстановления деталей. Для плазменной наплавки в воздушной среде разработаны порошковые сплавы на железной основе, в состав которых входят сильные раскислители и нитридообразующие элементы.

Плазменную струю получают с помощью плазмотронов, которые по различным классификационным признакам образуют следующие группы:

по способу взаимодействия дугового разряда с изделием (прямого действия, косвенного, комбинированного);
по способу сжатия дугового разряда (стенками канала сопла, газо вым потоком и комбинированный);
по числу дуг (одно- и многодуговые);
по составу плазмообраэующих газов (работающие на инертных газах, нейтральных и кислородсодержащих);
по способу подачи плазмообразующего газа (с тангенциальной и аксиальной подачей);
по виду сварочного тока (переменного и постоянного прямой и обратной полярности);
по способу дополнительного сжатия дуги (с системой каналов, выходящих на торец сопловой части; с системой каналов, выходящих внутрь канала сопла и комбинированной системой каналов);
по способу подачи наносимого материала (радиальной боковой подачей, осевой подачей через вольфрамовый электрод);
по величине тока (для микроплазменной наплавки - ток 0,1... 15 А, для плазменной наплавки - ток 10... 100 А и для наплавки с глубоким про- плавлением - ток > 100 А).

Наибольшее применение нашли плазмотроны: прямого действия, с комбинированным способом сжатия дугового разряда, однодуговые с тангенциальной подачей инертного газа, работающие на постоянном токе прямой полярности и с радиальной подачей материала. У плазмотрона различают основную дугу - между анодом и деталью и вспомогательную - между анодом и соплом. Токи обеих дуг регулируются балластными реостатами, включенными в соответствующие цепи.

Самые теплонапряженные детали плазмотрона - это электрод и сопло. Материал электрода определяется составом плазмообразующей среды. В плазмотронах, работающих с применением инертных и нейтральных газов (аргон, азот, гелий, смеси: аргон и азот, аргон и водород, азот и водород), используют электроды из вольфрама. В плазмотронах, работающих в кислородсодержащих средах, применяют катоды из гафния и циркония. Водоохлаждаемое сопло выполнено из меди. Сопло, рассчитанное на ток силой 260...310 А, имеет диаметр отверстия для выхода плазмы 3...4 мм. Диаметр насадки для подачи защитного газа 10...13 мм.

Преимущества плазменной наплавки по сравнению с другими способами нанесения покрытий сводятся к следующему. Гладкая и ровная поверхность покрытий позволяет оставлять припуск на обработку 0,4...0,9 мм. Малая глубина проплавления (0,3...3,5 мм) и небольшая зона термического влияния (3...6 мм) обусловливают долю основного металла в покрытии < 5 %.

Малое вложение тепла в обрабатываемую деталь обеспечивает небольшие деформации и термические воздействия на структуру основы. При восстановлении обеспечивается высокая износостойкость наплавленных поверхностей. Наблюдается снижение усталостной прочности деталей на 10... 15 %, что намного меньше, чем при использовании некоторых других видов наплавки.

Плазменная наплавка нашла применение при восстановлении ответственных деталей, к которым, например, относятся: коленчатые, кулачковые и распределительные валы, валы турбокомпрессоров, оси, крестовины карданных шарниров, направляющие оборудования, щеки и седла задвижек, шнеки экструдеров и др. Область применения способа - нанесение тонкослойных покрытий на нагруженные детали с малым износом. Плазменная наплавка тонкослойных покрытий составляет конкуренцию процессам нанесения гальванических покрытий.

При плазменной наплавке получают покрытия толщиной 0,2...6,5 мм и шириной 1,2...45 мм. Если наносится легкоплавкий материал, то возможно нанесение покрытия с проплавлением очень тонких поверхностных слоев без оплавления поверхности.

Термический КПД наплавки в 2...3 раза выше, чем при электродуговом процессе. Производительность процесса 0,4...5,5 кг/ч.

Различают наплавку по винтовой линии с непрерывной подачей плазмотрона и широкослойную наплавку с его гармоническими колебаниями относительно оси вращающейся детали. Для нанесения покрытий толщиной > 4 мм применяют многослойную наплавку.

Материалы для плазменной наплавки весьма разнообразны, включая железоуглеродистые высоколегированные сплавы, колмоной, стеллиты, инструментальные и быстрорежущие стали. Применяют прутки, проволоку, порошки и комбинации материалов.

При наплавке седел клапанов (в том числе и при изготовлении двигателей) Россия, Великобритания, Германия, США и Япония применяют хромокобальтовые сплавы - стеллиты, которые обладают более высокой жаростойкостью при температуре 600...650 °С, чем самофлюсующиеся хромоникелевые сплавы, легированные бором и кремнием.

Произошел переход с индукционной наплавки и наплавки намораживанием этого материала на плазменную наплавку. Это связано с тем, что железо является вредной примесью в наплавочных сплавах Co - Cr - W - C . Разбавление наплавленного металла железом приводит к снижению жаропрочности и коррозионной стойкости покрытий. При этом твердость сплавов при комнатной температуре остается практически постоянной, но при высоких температурах она резко снижается. Скорость коррозии в растворах соляной и азотной кислот у стеллитов с добавкой железа увеличивается примерно в 10 раз.

Прочные и вязкие покрытия получаются из сталей, легированных ванадием. Ванадий обладает высоким сродством к углероду; его карбиды сохраняют стехиометрическое строение и высокую твердость в процессе наплавки. Нерасплавленные частицы карбида ванадия стимулируют образование из расплава мелкозернистой структуры. Высокая твердость карбидов ванадия (2900...2940 HV 0,2 ) обеспечивает высокую износостойкость покрытия.

Хорошие результаты при восстановлении деталей плазменной наплавкой дает применение порошковых материалов. В этом случае:

возможно изменение в широких пределах толщины покрытия (0,1...7 мм), скорости (0,5...25 м/мин) и производительности наплавки (0,6... 15 кг/ч), ширины шва (1...45 мм) и состава наплавляемого металла за счет изменения применяемых материалов и режимов процесса;

обеспечивается простота управления вводом тепла в материал детали и глубиной его проплавления независимо от подачи материала;

облегчается выбор присадочного материала для получения покрытий (в том числе композиционных) различных составов и структур с заданными свойствами путем смешения разных порошков;

Оптимальный размер частиц порошка 60... 100 мкм. Лучше подавать присадочный порошок вдоль оси плазменной струи через отверстие ано да, в этом случае и полностью расплавляются частицы размером 200 ...250 мкм, и создаются наилучшие условия для расплавления и формирования покрытия.

Высокое значение термического КПД (до 0,44) плазменной наплав ки и уменьшение вложения тепла в материал детали достигаются при выполнении двух требований. Во-первых, частицы должны расплавлять ся в плазменной дуге и попадать на поверхность детали в жидком состоянии. Если частицы попадают на поверхность в твердом состоянии, то требуется время для их расплавления непосредственно в сварочной ван не, что приводит к увеличению ее размеров и, соответственно, глубины проплавления. Во-вторых, частицы должны перемещаться близко к оси плазменной струи. Движение частиц по периферии струи и вне ее приводит не только к потерям порошка, но и к дефектам покрытия. Этим объясняется наибольшая тепловая эффективность плазмотронов с аксиаль ным вводом порошка.

Температура наплавляемой поверхности детали изменяется под действием тепла предварительного подогрева, тепла от предыдущих валиков Н тепла от валика, наносимого в рассматриваемый момент времени. Спустя некоторое время отвод тепла уравнивается с его подводом, что приводит к достижению материалом детали теплового насыщения . Повышение термического КПД плазменной наплавки и исключение перегрева детали обеспечиваются предварительным нагревом детали и ограничением мощности плазмотрона примерно на 40% непосредственно в процессе наплавки. Это относится и к плазменно-порошковой наплавке, тепловая мощность которой может регулироваться независимо от расхо да подаваемого порошка.

Электромагнитная наплавка

Сущность электромагнитной наплавки заключается в нанесении покрытия из порошка на поверхность заготовки в магнитном поле при пропускании постоянного тока большой силы через зоны контакта частиц порошка между собой и с заготовкой.

Магнитное поле создают в зазоре между заготовкой и полюсным наконечником. Оно выстраивает мостики частиц ферромагнитного порошка между указанными элементами. На магнитное поле, в свою очередь, налагают электрическое поле путем приложения напряжения к заготовке и полюсному наконечнику. Восстановительное покрытие получается за счет нагрева частиц порошка в зазоре, их оплавления и закрепления на восстанавливаемой поверхности.

Процесс разработан и совершенствуется в Беларуси. В настоящее время плодотворные исследования ведет научная школа БАТУ (Минск) под руководством проф. Л.М. Кожуро.

Хорошую обрабатываемость и износостойкость имеют покрытия из высокохромистого чугуна С-300 эвтектического состава и из быстрорежущих сталей Р6М5К5 и Р6М5ФЗ. Плотность мощности достигает значений 510 4 ... 510 5 Вт/см 2 .

Процесс характеризуется некоторой нестабильностью из-за хаотического формирования многоэлектродной системы и дискретного расплавления цепочек-электродов из зерен порошка в рабочем зазоре. Устранить этот недостаток можно подачей в рабочий зазор присадочного материала в виде непрерывно поступающего слоя пасты и последующим ее расплавлением изолированным неплавящимся электродом. Основой паст служат легированные порошки на железной основе ( Fe - V , Fe - Ti , Fe - Cr , С-300, ПЖРВ2) зернистостью 150...300 мкм, которые перемешиваются со связующим (жидким стеклом) непосредственно перед наплавкой в объемном соотношении 2:1. Это позволяет повысить производительность за счет увеличения плотности тока до 3 А/мм 2 . Можно получить покрытие

толщиной ~ 2 мм. Стабильность наплавки еще больше повышается, если

ферромагнитный порошок подают в рабочую зону в потоке рабочей жидкости.

Устройства для реализации электромагнитной наплавки могут быть выполнены по одно- или двухполюсной схеме. Двухполюсная схема при прочих равных условиях дает более высокую стабильность и производительность наплавки, но однополюсная более универсальна. Наплавка в пульсирующем магнитном поле за счет вибрации полюсного наконечника исключает короткое замыкание в цепи разрядного тока, что позволяет использовать неимпульсные источники тока и стабилизировать процесс. Можно восстанавливать как цилиндрические, так и плоские поверхности.

Способ позволяет совмещать во времени процессы нанесения покрытия и поверхностного пластического деформирования. Совмещение обеспечивает получение сжимающих остаточных напряжений в наплавленном слое (усталостная прочность увеличивается в 1,2...1,4 раза), повышение его износостойкости в 1,8...2,7 раза, Электромагнитную наплавку можно совмещать со шлифованием абразивными частицами наносимого материала.

Область применения процесса - восстановление и упрочнение деталей с износом до 0,6 мм в мелко- и среднесерийном производствах с одновременным их поверхностным пластическим деформированием.

Лазерная наплавка

Лазерная наплавка использует в качестве источника тепла концентрированный луч лазера.

С помощью лазеров выполняют: наплавку, оплавление напыленных поверхностей, поверхностное легирование, поверхностную закалку и аморфизацию материала. Лазерный вид нагрева позволяет также устранять повреждения в виде трещин в высоконагруженных деталях с нерегулярным режимом нагружения, , соединять детали в труднодоступных местах После лазерной обработки деталей с трещинами по режиму, обеспечивающему их частичное оплавление, с последующей нормализацией детали работа разрушения детали на 30% выше по сравнению с образцами, имеющими начальные трещины.

Исключительная локальность воздействия луча за счет высокой плотности энергии определяет область применения лазерной наплавки. Она применяется при восстановлении ответственных деталей (гладких млов и деталей со сложным профилем) с местным износом. Способ наиболее эффективен при восстановлении поверхностей площадью 5...50 мм и величиной износа 0,1...1,0 мм, при этом расход порошков невелик, глубина термического влияния обычно не превышает 0,5...0,6 мм, а деформации детали отсутствуют. С помощью лазерной наплавки восстанавливают, например, кулачки распределительных валов, поверхности ротора турбокомпрессора, оси фильтров тонкой очистки масла, фаски клапанов.

В качестве оборудования чаще применяют установки ЛГН-702, УЛГН-502 и ЛОК-ЗМ.

При лазерной наплавке реализуют следующие преимущества этого вида нагрева:

большую скорость выполнения операции;

широкие технологические возможности;

высокое качество поверхности после обработки;

возможность местной обработки;

легкость автоматизации;

обработку внутренних поверхностей больших и малых диаметров с помощью Важным параметром является направление подачи порошка относительно движения детали при лазерной наплавке. Подача порошка в направлении движущейся детали обеспечивает хорошее формирование наплавленных валиков. Процесс формирования при такой схеме стабилен: колебания высоты и ширины валика незначительны (10... 15%). При подаче порошка навстречу движущейся поверхности детали газопорошковая струя оттесняет жидкий металл от закристаллизовавшейся части, вследствие чего он несколько растекается по поверхности, увеличивая площадь ванны плавления. При этом растет количество частиц порошка, попадающих в расплав, и немного увеличиваются размеры валиков по сравнению со случаем подачи порошка вслед движущейся детали. Однако геометрические размеры отличаются нестабильностью, разброс высоты и ширины валика достигают 50...60 %.

Качество покрытий зависит также от толщины наплавляемого слоя и перекрытия валиков. Зависимость высоты наплавки от угла ввода порошка носит экстремальный характер.

Один из видов лазерной наплавки - это оплавление шликерных покрытий. Наплавка шликерных обмазок целесообразна при восстановле- иии плоских поверхностей или локально изношенных участков деталей в труднодоступных местах. Наносимый материал готовят в виде коллоидной смеси порошка в растворе целлюлозы. В этом случае наплавочный материал используется полностью. Для получения качественных покрытий хорошего качества лазером киловаттной мощности толщина обмазки не должна превышать 1 мм, а для лазера мощностью 2,5 кВт быть < 2 мм. Коэффициент перекрытия при этом должен составлять не менее половины диаметра рабочего пятна.

Твердость покрытий из самофлюсующихся порошков составляет 35...60 HRC для подложки из стали и 45...60 HRC для подложки из чугуна. Толщина нанесенного слоя достигает 40...50 мкм. Прочность соединения покрытия с материалом подложки > 250 МПа.

Лазерное оплавление напыленных покрытий - один из способов улучшения их свойств. Структура оплавленных лазером слоев характеризуется чрезвычайной дисперсностью, отсутствием оксидных включений и пор. Содержание легирующих элементов в оплавленных участках мало отличается от исходного. При лазерном оплавлении покрытий на оптимальном режиме, полученных напылением, можно добиться такого состояния поверхности, при котором последующая механическая обработка представляет собой отделку (например, шлифование). Поверхностное легирование - это введение в оплавленный слой практически любых легирующих элементов и даже карбидов. Продолжительность процесса измеряется секундами, в то время как при химико-термической обработке (ХТО) - часами. Регулируя мощность лазерного луча, продолжительность нагрева, скорость вращения изделия и шаг перемещения луча, можно достичь различной ширины оплавления: 0,05...5 мм.

Порошок на поверхность детали наносят как пасту, замешанную на жидком стекле, в виде наплавленного слоя или фольги нужного состава. Имеется способ легирования вдуванием порошка в оплавляемый слой. Углерод вводят в виде графита, а легирующие элементы - в элементном виде или как ферросплавы. Аналогично вводят релит, сплавы типа ВК и др. Твердость и глубина легированного слоя зависят от мощности луча и числа импульсов.

Особенность поверхностной закалки заключается в нагреве и охлаждении поверхности со скоростями, достигающими 10 5 К/с, при этом нагрев проводится по режиму, не дающему оплавления поверхности. Вследствие высокой скорости охлаждения металл не перегревается, имеет место полная гомогенизация структуры. При охлаждении образуется бесструктурный мартенсит, что способствует повышению твердости и износостойкости (> 1000 HV ).

Остеклование поверхности (аморфизация) получается при нагреве детали с оплавлением. Твердость поверхности достигает 2000 HV , долговечность при этом повышается. Слои укладываются плотными рядами или с перекрытием. В обоих случаях на границе слоя будет мягкая зона или на участке теплового влияния, или в зоне перекрытия. На износостойкость эти мягкие участки не влияют, скорее даже имеют положительное значение, так как после небольшого износа они станут местом для задержания смазки и для отвода продуктов изнашивания. несложных оптических устройств.

Порошковая лазерная наплавка заключается в получении покрытий путем принудительной подачи порошка газовым потоком непосредственно в зону лазерного излучения. Частицы порошка начинают нагреваться в лазерном луче и расплавляются в поверхностном слое. Этот вид наплавки определяется следующими параметрами (интервалы оптимальных значений приведены в скобках):

мощностью лазерного излучения (I ...3 кВт);

скоростью перемещения восстанавливаемой поверхности под облучением (16,7...33,3 мм/с);

диаметром пятна нагрева, определяемым условиями фокусировки излучения (10... 15 мм);

Массовым расходом порошка, подаваемого в зону обработки (2,1...3,2 кг/ч);

Углом ввода порошка (30...35°).

Увеличение мощности лазера приводит к увеличению количества расплавляемого порошка, вследствие чего возрастает ширина и высота наплавленных валиков.

Повышение скорости обработки приводит к существенному уменьшению геометрических размеров наплавленных валиков. Это связано с тем, что с увеличением скорости обработки при постоянной мощности уменьшается удельная погонная энергия, а также массовый расход порошка.

Влияние степени фокусировки на геометрические параметры наплавляемых валиков неоднозначно. С уменьшением степени фокусировки при постоянной мощности снижается плотность мощности излучения, что приводит к уменьшению количества расплавленного порошка и высоты расплавленного валика.

В компании ООО «Гидротехтрейд » производится плазменная наплавка и напыление для восстановления и ремонта изношенных деталей машин, упрочнения поверхностей деталей, работающих при высоких нагрузках. Данный способ позволяет получить тонкий равномерный слой покрытия с беспористой поверхностью, не требующей дополнительной обработки.

Плазменная наплавка металла позволяет придавать рабочим поверхностям изделий износостойкость, жаропрочность, кислотоупорность, теплопроводность и ряд иных дополнительных свойств. С помощью наплавки специалисты нашего технического центра получают разнообразные изделия и детали: валы, зубья ковшей экскаваторов, поршни, штоки, подшипники и т. д.

Виды плазменных наплавок

В зависимости от компоновки различают следующие виды плазменной наплавки:

открытая плазменная струя (для резки металла и нанесения покрытий);
закрытая плазменная струя (для закалки, металлизации и напыления порошков.);
комбинированная струя (при наплавке порошком).

Специалисты «Гидротехтрейд » осуществляют плазменную наплавку различными способами, с использованием современной техники и оборудования. Одним из наиболее распространённых методов является плазменно порошковая наплавка, позволяющая наносить порошковые покрытия толщиной от 0,5 до 4,0 миллиметров. При использовании данного метода действует основная дуга, горящая между изделием и электродом и косвенная дуга, горящая между электродом и плазмообразующим соплом.

При необходимости может производиться плазменно-дуговая наплавка. Её преимущества в том, что она позволяет осуществлять наплавку композиционных материалов, при этом нанесение покрытий осуществляется пошагово.

Порошковая металлургия, сварка и технология материалов.

Как показывает международная практика, для стран с ограниченными природно-сырьевыми и энергетическими ресурсами во многих случаях перспективными, экономически выгодными и предпочтительными взамен новых деталей машин, является их восстановление.

Основными причинами выхода из строя являются изнашивание, воздействие коррозионных сред, высоких температур и механических нагрузок. Поскольку процессы разрушения, как правило, начинаются с поверхности целесообразно как при восстановлении, так и при изготовлении новых быстроизнашиваемых деталей нанесение на них многофункциональных защитных покрытий с высокими эксплуатационными свойствами.

При этом оптимальными являются такие технологические решения, которые позволяют повысить срок службы быстроизнашиваемой детали до срока службы узла или машины.

В подавляющем большинстве случаев основной причиной повреждения деталей является изнашивание.

Безусловная целесообразность и экономическая эффективность проведения работ по восстановлению деталей нанесением покрытий и, следовательно, по повышению их износостойкости, обусловлена достигаемой экономией материалов, топливно-энергетических ресурсов, трудозатрат, минимизацией экономической нагрузки на окружающую среду.

Поскольку величина износа, вызывающая необходимость восстановления изношенной детали, может быть различной (от нескольких мкм до мм), следует выбирать наиболее рациональный способ нанесения, материал покрытия и нужное оборудование для его нанесения.

Покрытия на металлической, полимерной, неорганической основе могут быть получены различными способами наплавки, напыления, химико-термической обработки, химического и электрохимического осаждения, физическими методами, нанесением из газовой фазы, имплантацией, комбинированными и другими методами.

В практике ремонтных производств по восстановлению деталей нанесением покрытий на долю наплавок приходится около 77%, электроконтактного припекания – 6%, гальванических способов – 4%, заливки жидким металлом – 2%, восстановления полимерами - 4%, других способов – 5%.

Рассмотрим суть основных наиболее перспективных для применения в практике способов нанесения покрытий, их достоинства и недостатки, наиболее эффективные области применения.

Наплавка

Это такой метод, при котором внешним тепловым источником (газовое пламя, электрическая дуга, плазма, лазерный или электронный луч, и др.) расплавляют наносимый материал и наносят его на подплавленную поверхность основы.

Наплавленные покрытия беспористы, имеют прочность сцепления соизмеримую с прочностью основы, а износостойкость и другие эксплуатационные свойства (коррозионная, эрозионная, кавитационная, жаростойкость и др.) могут быть значительно выше, чем у основы.

Ведущее место для восстановления изношенных поверхностей наплавка занимает благодаря своей универсальности.

В зависимости от степени механизации и автоматизации процесса, вида применяемого источника тепла, характера легирования, вида наплавляемого материала (порошок, проволока, лента, паста), характера защиты покрытия от кислорода, азота, воздуха, вида применяемого тока (постоянный, переменный, импульсный, специальной характеристики), вида электрода (плавящийся, неплавящийся), полярность электрода при постоянном токе (прямая, косвенная), режима (стационарный, нестационарный) различают ряд способов наплавки.

Наиболее распространены для восстановления деталей способы дуговой наплавки (под слоем флюса, в среде защитных газов, вибродуговая) и плазменная наплавка (табл. 2.1.)

Перед наплавкой очищают и прокаливают для удаления влаги наплавочные материалы, очищают поверхности деталей, при необходимости нагревают их.

Таблица 2.1

Основные показатели способов наплавки

Способ	Толщина слоя, мм	Производительность, кг/ч	Прочность соединения, МПа
Дуговая самозащитной проволокой	0,5…3,5	1,0..3,0
Дуговая под слоем флюса	1,0…5,0	0,3..3,0
Дуговая в среде диоксида углерода	0,5…3,5	1,5…4,5
Дуговая в среде аргона	0,5…2,5	0,3…3,6
Вибродуговая	0,5…1,5	0,3…1,5
Газопламенная	0,5…3,5	0,15…2,0
Плазменная(порошковая)	0,5…5,0	1…12
Электрошлаковая	>10	до 150

2.1 Ручная дуговая наплавка выполняется электродами с толстым покрытием и тогда, когда применение механизированных способов невозможно или нецелесообразно.

Для минимального проплавления основы наплавку ведут при минимально возможных силе тока и напряжении и электрод наклоняют в сторону, обратную направлению наплавки. Наплавку выполняют электродами диаметром 2…6 мм на постоянном токе 80…300 А обратной полярности с производительностью 0,8…3,0 кг/ч. При необходимости при наплавке различных сталей, никеля, меди и их сплавов производят предварительный подогрев наплавляемых деталей до 100…300 °С.

Способ широко распространен в ремонтном производстве Республики Беларусь.

2.2 Дуговая наплавка под флюсом , при которой электрическая дуга горит между голым электродом(проволокой) и наплавляемым изделием под слоем 10…40 мм сухого гранулированного флюса с размерами зерен 0,5…3,5 мм (рис. 2.1)

Рисунок 2.1 – Схема наплавки под слоем флюса

1-бункер с флюсом; 2-электрод; 3-оболочка расплавленного флюса; 4-газопаровой пузырь; 5‑наплавленный слой; 6-шлаковая корка; е -величина смещения электрода с зенита; ω д ‑угловая частота вращения детали

В зону наплавки подают электродную сплошную или порошковую проволоку (ленту) и флюс. К детали и электроду подают постоянный ток обратной полярности. Наплавка плоских поверхностей ведется так называемым сварочно-наплавочным трактором, который перемещается по заданной траектории с заданными параметрами перемещения и подачи наплавочной проволоки. (см. лаб. работу №5)

При наплавке цилиндрических поверхностей электрод смещают с зенита в сторону противоположную вращению примерно на 10% диаметра наплавляемой детали (см рис. 2.1). Электрод должен составлять угол с нормалью к поверхности 6…8°. Подачу флюса в зону наплавки регулируют открытием шибера. При горении дуги одновременно плавятся электродная проволока, поверхность детали и флюс. Дуга с каплями металла оказывается в объеме газов и паров, ограниченном жидким пузырем из расплавленного флюса. Этот пузырь обволакивает зону наплавки и изолирует ее от кислорода и азота воздуха. Вследствие перемешивания наплавленный под флюсом металл состоит из расплавленного присадочного и переплавленного основного металла.

Флюс, температура плавления которого на 100… 150 °С ниже, чем наплавочного материала, в значительной степени обеспечивает получение качественного покрытия, выполняя целый ряд функций:

Стабилизирует горение дуги

Защищает расплав от воздействия кислорода и азота воздуха

Очищает расплав от включений и раскисляет его

Легирует покрытие

Образует теплоизоляционный слой, замедляющий процесс затвердевания металла наплавки

В состав плавленых флюсов (ГОСТ 9087-81) АН-1…АН-30, АН-348А, ОСЦ-45, ФЦ-9, ФЦЛ-2 входят SiO 2 , MnO, Al 2 O 3 , CaO, MgO, K 2 O 4 , Na 2 O,Fe 2 O 3 , CaF 2 , FeO.

Керамические флюсы дополнительно содержат ферросплавы, CaCO 3 , легирующие элементы. Легирование проводят чаще всего комбинированно (через флюс и проволоку).

Для автоматической электродуговой наплавки под слоем флюса используют следующее оборудование:

Источники питания (выпрямители, трансформаторы, преобразователи типа ВДУ-504, ТДФ-1001, ПСГ-500) с пологопадающей или жесткой внешней характеристикой

Вращатели (типа УД140, ОКС-11200 и др.)

Сварочные тракторы(типа АДФ-1002) и

Подвесные головки (типа А-1416)

В мощных автоматах предусмотрены устройства для автоматической уборки нерасплавившегося флюса.

Таблица 2.2 – Режимы наплавки под слоем флюса цилиндрических деталей.

D, мм	I, А	U, В	V H , м/мин	V n , м/мин	e, мм	S, мм	h, мм
d э = 1,2…1,6 мм	d э = 2,0…2,5 мм
50…60	120…140	140…160	26…28	16…20			3,0	1,5…2,5
65…75	150…170	180…220	16…28			3,5…4,0
80…100	180…200	230…280	28…30	16…30			4,0	2,0…3,0
150…200	230…250	300…350	30…32	16…32			5,0
250…300	270…300	350…380	16…35			6,0

Условные обозначения: D - диаметр детали; h – высота слоя; I,U – напряжение и сила тока; V H - скорость наплавки, м/мин; V n – скорость подачи электродного материала, м/мин; e – смещение электрода с зенита, мм; d э – диаметр и вылет электрода, мм.

Преимуществами автоматической электродуговой наплавки под слоем флюса являются:

Повышенная в 6…8 раз по сравнению с ручной электродуговой наплавкой производительность труда при меньших в 2 раза энергозатратах

Повышенное качество наплавленного металла благодаря легированию и рациональной организации тепловых процессов

Возможность наплавки покрытий более 2 мм толщиной

Меньший угар, потери на разбрызгивание и расход присадочного материала

Лучшие условия труда и экологичность

Разновидностями наплавки под слоем флюса являются многоэлектродная наплавка, наплавка лежачим электродом, наплавка по слою порошка.

Весьма эффективными при этом способе является использование порошковых проволок, лент, шнуровых материалов.

Технологии наплавки под флюсом широко применяют на ряде передовых предприятий Беларуси, в технических университетах (БНТУ, БРУ), институтах НАН Беларуси.

2.3 Электрошлаковая наплавка (ЭШН) отличается тем, что на нагретой поверхности детали образуется ванна расплавленного флюса, в которую введен электрод, а к детали и электроду приложено напряжение (рис. 2.2). Процесс наплавки начинают на технологической пластине, которую затем после начала затвердевания покрытия удаляют. В ванну помещают флюс и электрод. Зажигают дугу между электродом и технологической пластиной. Флюс расплавляется, образуя жидкую ванну, при соприкосновении электрода с которой дуга гаснет. Ток, проходя через жидкий шлак выделяет тепло, достаточное для плавления шлака и электродного металла(температура шлаковой ванны выше чем температура плавления присадочного электродного материала). Присадочный материал расплавляется, проходя через шлак, очищается, оседает и формирует между поверхностями водоохлаждаемого кристаллизатора и технологической пластины покрытие.

Для поддержания процесса включают подачу наплавочного материала, открывают дозатор с флюсом, сообщают движение детали. Поскольку обычно толщина слоя наплавки превышает 12…14 мм ЭШН целесообразна для получения биметаллических изделий или восстановления больших партий деталей с износом более 10 мм (опорные катки гусеничных машин, звенья гусениц, работающие в агрессивной среде, инструмент и др.)

Рисунок 2.2 - Схема электрошлаковой наплавки:

1 ‑ кристаллизатор; 2 ‑ шлаковая ванна; 3 ‑ электрод; 4 ‑ мундштук; 5 ‑ дозатор легирующих добавок; 6 ‑ крупногабаритные диски; 7 ‑ восстанавливаемая деталь; 8 ‑ оправка; 9 ‑ покрытие

Различают ЭШН электродными проволоками, лентами, порошковым присадочным материалом, одно- или многоэлектродную, с плавящимся электродом.

Преимущества ЭШН:

Максимальная из всех способов наплавки производительность (до 150 кг/г)

В 2-4 раза меньше энерговложение, чем при ручной дуговой наплавке и в 1,5 раза меньше, чем при наплавке под слоем флюса.

Минимальный расход флюса и угар легирующих элементов, отсутствие разбрызгивания шлака и наплавочного материала

Максимальная чистота по вредным примесям и трещиностойкость

Например, при восстановлении опорных катков тракторов оптимален следующий режим: напряжение тока 36…40В, сила тока 800…900 А, скорость подачи проволоки 3…3,5 м/мин, глубина шлаковой ванны 80 мм, «сухой» вылет электродов 150 мм, количество электродов 2, диаметр проволоки 3 мм, проволока Св08, флюс АН-348А или АН-8, скорость подачи легирующей добавки (сормайта) 50…85 г/мин. Покрытия обеспечивают повышение износостойкости в 1,5…1,9 раза по сравнению с новыми катками.

ЭШН ведут с помощью специальных установок (например, ОКС-7755 ГОСНИТИ), специальных сварочных аппаратов или источников постоянного или переменного тока с жесткой внешней характеристикой.

В БНТУ разработана ресурсосберегающая технология ЭШН отходов легированных сталей, обеспечивающая наилучшее качество и свойства металла на уровне мировых аналогов.

Оборудование для ЭШН и подобные технологии имеются в институтах НАН Беларуси, в том числе в Институте технологии металлов (г. Могилев).

2.4 Наплавка в среде защитного газа заключается в том, что в зону электрической дуги подают под давлением защитный газ, в результате чего столб дуги и наплавляемый жидкий металл изолируются от азота воздуха и кислорода.

В качестве защитных используют инертные газы (аргон, гелий, и их смеси), активные газы (диоксид углерода, азот, водород, водяной пар и их смеси) и смеси инертных и активных газов (например, 85% аргона и 15% диоксида углерода). Наибольшее применение для восстановления деталей получила механизированная наплавка в среде диоксида углерода плавящимся электродом. Электродом являются наплавочные проволоки Св08Г2С, Св10Г2С, Св-18ХГСА, Ни-30ХГСА диаметром 0,5…2,0 мм и порошковые проволоки ПП-Р18Т, ПП-Р9Т, ПП-Х2В8Т и другие.

Рисунок 2.3 – Схема наплавки в среде диоксида углерода:

1 – мундштук; 2 – электродная проволока; 3 – горелка; 4 – наконечник; 5 – сопло горелки; 6 – электрическая дуга; 7 – сварочная ванна; 8 – покрытие; 9 – восстанавливаемая деталь

Например, наплавку ответственных деталей с требуемой твердостью 45…55 HRC проводят проволокой Hи-30ХГСФ диаметром 1,2…1,8 мм с последующей термической обработкой поверхностей – закалкой ТВЧ. Режим наплавки следующий напряжение тока 18…22В, сила тока 120…180А, скорость наплавки 25…50 м/ч, шаг наплавки 2,5…8,5 мм/об, вылет электродной проволоки 15…20 мм, скорость подачи проволоки 90…180 м/ч, расход диоксида углерода 10…15 л/мин.

По сравнению с автоматической наплавкой под слоем флюса наплавка в среде защитного газа более производительна (до 1,5 раз по массе и 40% по площади покрытия), дает меньше тепловложения в деталь, однако сопровождается повышением (до 10%) разбрызгиванием металла и открытым светоизлучением

Плазменная наплавка

От других методов она отличается тем, что нагрев и плавление материала покрытия и поверхностного слоя основы осуществляется плазменной струей (рис. 2.4)

Рисунок 2.4 - Схема плазменной наплавки с вдуванием порошка в дугу:

1 – вольфрамовый электрод; 2 – источник питания дуги косвенного действия; 3 – внутреннее сопло; 4 – плазменная струя косвенного действия; 5 – наружное сопло; 6 – плазменная струя прямого действия; 7 – источник прямого действия

Плазменная наплавка – один из самых производительных, универсальных и экономичных методов нанесения покрытий толщиной от десятых долей до нескольких миллиметров.

Преимущество плазменной наплавки по сравнению с другими способами:

Минимальный припуск на механическую обработку (0,4…0,9 мм)

Минимальная глубина проплавления основы (0,3…3,5 мм) и зона термического влияния (3…6 мм)

Минимальные тепловложения в основу

Наиболее приемлем диффузионно-легированный самофлюсующийся порошок на основе ПР-Сталь 45 с гранулометрическим составом 40…160 мкм. Расход порошка 35 г/мин, толщина наплавленного слоя за проход 0,5…1,5мм, твердость – требуемая (диапазон 20…60 HRC).

2.6 Электромагнитная наплавка или МЭУ, заключается в том, что в зазор между полюсным наконечником и деталью, подается ферромагнитный порошок, который под воздействием магнитного поля выстраивается в зазоре в виде цепочек. Прилагаемое к полюсному наконечнику и детали электрическое поле вызывает нагрев частиц, их оплавление и закрепление на восстанавливаемой поверхности.

2.7 Лазерная наплавка при которой в качестве источника тепла используют концентрированный луч лазера. Лазер позволяет наплавлять покрытия, оплавлять предварительно напыленные или нанесенные в виде шликера покрытия. Исключительная локальность пучка и высокая плотность энергии предопределяют его преимущественные области применения и наибольшую эффективность при восстановлении малых поверхностей (5…50 мм 2) с местным износом 0,1…1,0 мм.

Значительных успехов в лазерной наплавке и упрочнении добились ученые ФТИ НАН Беларуси, БНТУ.

2.8 Электронно-лучевая наплавка (ЭЛН) заключается в оплавлении присадочного материала электронным лучом. Во многом этот способ схож со способом лазерной наплавки (по локальности, эффективности)

2.9 Индукционная наплавка основывается на использовании токов высокой частоты для нагрева металла детали и наплавляемого материала. Деталь с нанесенной шихтой вводят в индуктор ТВЧ установки. ТВЧ проходя через контур индуктора возбуждают в поверхностном слое детали токи Фуко, которые нагревают поверхность детали. От нагретой поверхности нагревается и оплавляется более легкоплавкая шихта, формируя покрытие.

Шихта (наплавочный порошок и флюс) может не включать флюс, если порошок является самофлюсующимся.

3. Электроконтактная приварка состоит в закреплении проволоки, порошка, ленты мощными импульсами тока (7…30 кА) при приложении давления (1000…1600 Н). При этом материал основы и наносимого покрытия (порошка, ленты) подплавляется на границе их в месте максимального электросопротивления (рис. 2.5).

Преимуществами электроконтактной приварки по сравнению с дуговыми способами наплавки являются:

Более высокая (в 2…3 раза) производительность

Меньший (в 3…4 раза) расход материалов за счет сокращения потерь на разбрызгивание и минимального припуска на механическую обработку

Минимальные тепловложения в основу и отсутствие деформаций

Отсутствие угара легирующих элементов

Простота и экономичность

Рисунок 2.5 – Схема электроконтактной приварки ленты:

1 и 3 – ролики; 2 – восстанавливаемая деталь; 4 – трансформатор; 5 ‑ контактор

Технология

Плазменно-порошковая наплавка износостойких материалов на заводе в г. Щербинка

Плазмой называется высокотемпературный сильно ионизированный газ, состоящий из молекул, атомов, ионов, электронов, световых квантов и др. При дуговой ионизации газ пропускают через канал и создают дуговой разряд, тепловое влияние которого ионизирует газ, а электрическое поле создает направленную плазменную струю. Газ может ионизироваться также под действием электрического поля высокой частоты. Газ подается при давлении в 2 …3 атмосферы, возбуждается электрическая дуга силой 400 … 500 А и напряжением 120 … 160 В Ионизированный газ достигает температуры 10 … 18 тыс. С, а скорость потока - до 15000 м/сек. Плазменная струя образуется в специальных горелках - плазмотронах . Катодом является неплавящий вольфрамовый электрод.

В зависимости от компоновки различают:

Открытую плазменную струю (анодом является деталь или пруток). В этом случае происходит повышенный нагрев детали. Используется эта схема для резки металла и для нанесения покрытий.
Закрытую плазменную струю (анодом является сопло или канал горелки). Хотя температура сжатой дуги на 20 …30% в этом случае выше, но интенсивность потока ниже, т. к. увеличивается теплоотдача в окружающую среду. Схема используется для закалки, металлизации и напыления порошков.
Комбинированная схема (анод подключается к детали и к соплу горелки). В этом случае горят две дуги. Схема используется при наплавке порошком.

Плазменную наплавку металла можно реализовать двумя способами:

Струя газа захватывает и подает порошок на поверхность детали;
В плазменную струю вводится присадочный материал в виде проволоки, прутка, ленты.

В качестве плазмообразующих газов можно использовать аргон , гелий , азот , кислород , водород и воздух . Наилучшие результаты наплавки получаются с аргоном и гелием.

Достоинствами плазменной наплавки являются:

Высокая концентрация тепловой мощности и минимальная ширина зоны термического влияния.
Возможность получения толщины наплавляемого слоя от 0,1 мм до нескольких миллиметров.
Возможность наплавления различных износостойких материалов (медь, латунь, пластмасса) на стальную деталь.
Возможность выполнения плазменной закалки поверхности детали.
Относительно высокий КПД дуги (0.2 …0.45).
Малое (по сравнению с другими видами наплавки) перемешивание наплавляемого материала с основой, что позволяет достичь необходимых характеристик покрытий.

Поверхность детали необходимо готовить к наплавке более тщательно, чем при обычной электродуговой или газовой сварке, т. к. посторонние включения уменьшают прочность наплавленного слоя. Для этого производится механическая обработка поверхности (проточка, шлифование, пескоструйная обработка..), иногда обезжиривание. Мощность электрической дуги подбирают такой, чтобы сильно не нагревалась деталь, и чтобы основной металл был на грани расплавления.

Применение

Плазменная наплавка широко применяется для защиты от высокотемпературного износа формокомплектов стекольной промышленности, для защиты от коррозии и износа деталей запорной и запорно-регулирующей арматуры , для упрочнения поверхности деталей, работающих при высоких нагрузках.