Плазменная наплавка

Упрочнение и восстановление деталей машин

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

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 SiO₂, MnO, Al₂O₃, CaO, MgO, K₂O₄, Na₂O,Fe₂O₃, CaF₂, FeO.

Керамические флюсы дополнительно содержат ферросплавы, CaCO₃, 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.

Рекомендуемые режимы для восстановления изношенных стальных цилиндрических деталей (валов, штоков, роликов, катков, колес, шпинделей и т.п.) приведены в таблице 2.2

Таблица 2.2 – Режимы наплавки под слоем флюса цилиндрических деталей.

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

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).

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.

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.

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 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.

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)

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.

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.

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).

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

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