Плазменная сварка и наплавка является наиболее прогрессивным способом восстановления изношенных деталей машин и нанесения износостойких покрытий (сплавов, порошков, полимеров,…) на рабочую поверхность при изготовлении деталей.
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 2 …3 атмосферах, 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.
Рис. 2.34. Схема плазменной сварки открытой и закрытой плазменной струей.
В зависимости от схемы подключения анода различают (рис. 2. 34) :
Открытую плазменную струю (анодом является деталь или пруток). В этом случае происходит повышенный нагрев детали. Используется эта схема при резке 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 напыливания порошков.
Комбинированная схема (анод подключается к детали и к соплу горелки). В этом случае горят две дуги, Схема используется при наплавке порошком.
Наплавку металла можно реализовать двумя способами:
1-струя газа захватывает и подает порошок на поверхность детали;
2-вводится в плазменную струю присадочный материал в виде проволоки, прутка, ленты.
В качестве плазмообразующих газов можно использовать аргон, гелий, азот, кислород, водород и воздух. Наилучшие результаты сварки получаются с аргоном.
Достоинствами плазменной наплавки являются:
Высокая концентрация тепловой мощности и возможность минимальной ширины 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 К. П. Д. дуги (0.2 …0.45).
Очень эффективно использовать плазменную струю для резки металла, т.к. газ из-за высокой скорости очень хорошо удаляет расплавленный металл, а из-за большой температуры он плавится очень быстро.
Установка (рис. 2.35) состоит из источников питания, дросселя, осциллятора, плазменной головки, приспособлений подачи порошка или проволоки, системы циркуляции воды и т.д.
Для источников питания важно выдержка постоянным произведение J U, т.к. мощность определяет постоянство плазменного потока. В качестве источников питания применяют сварочные преобразователи типа ПСО - 500. Мощность определяется длиной столба и объемом плазменной струи. Можно реализовать мощности свыше 1000 кВт.
Подача порошка осуществляется с помощью специального питателя, в котором, вертикально расположенный, ротор лопатками подает порошок в струю газа. В случае использования сварочной проволоки подача ее выполняется аналогично как и при наплавке под слоем флюса.
Путем колебания горелки в продольной плоскости с частотой 40 …100 мин -1 за один проход получают слой наплавленного металла шириной до 50 мм. У горелки имеется три сопла: внутреннее для подачи плазмы, среднее для подачи порошки и наружное для подачи защитного газа.
Рис. 2.35. Схема плазменного наплавления порошка.
При наплавке порошков реализуется комбинированная дуга, т. е. одновременно будут гореть открытая и закрытая дуги. Регулировкой балластных сопротивлений можно регулировать потоки мощности на нагрев порошка и на нагрев и оплавление металла детали. Можно добиться минимального проплавления основного материала, следовательно будет небольшая тепловая деформация детали.
Поверхность детали необходимо готовить к наплавке более тщательно чем при обычной электродуговой или газовой сварке, т.к. при этом соединение происходит без металлургического процесса, поэтому посторонние включения уменьшают прочность наплавленного слоя. Для этого производится механическая обработка поверхности (проточка, шлифование, пескоструйная обработка,...) и обезжиривание. Величину мощности электрической дуги подбирают такой, чтобы сильно не нагревалась деталь, и чтобы основной металл был на грани расплавления.
В наличии на складе!
Высокая производительность, удобство, простота в управлении и надежность в эксплуатации.
Сварочные экраны и защитные шторки - в наличии на складе!
Защита от излучения при сварке и резке. Большой выбор.
Доставка по всей России!
Ручная дуговая наплавка штучными электродами
Наиболее универсальный метод, пригодный для наплавки деталей различной формы, может выполняться во всех пространственных положениях. Легирование наплавленного металла производится через стержень электрода и/или через покрытие.
Для наплавки используют электроды диаметром 3-6 мм (при толщине наплавленного слоя менее 1,5 мм применяют электроды диаметром 3 мм, при большей - диаметром 4-6 мм).
Для обеспечения минимального проплавления основного металла при достаточной устойчивости дуги плотность тока должна составлять 11-12 А/мм 2 .
Основные достоинства метода:
- универсальность и гибкость при выполнении разнообразных наплавочных работ;
- простота и доступность оборудования и технологии;
Основные недостатки метода:
- низкая производительность;
- тяжелые условия труда;
- непостоянство качества наплавленного слоя;
- большое проплавление основного металла.
Полуавтоматическая и автоматическая дуговая наплавка
Для наплавки применяются все основные способы механизированной дуговой сварки - под флюсом, самозащитными проволоками и лентами и в среде защитных газов. Наиболее широко используется наплавка под флюсом одной проволокой или лентой (холоднокатаной, порошковой, спеченной). Для увеличения производительности применяют многодуговую или многоэлектродную наплавку. Легирование наплавленного металла осуществляется, как правило, через электродный материал, легирующие флюсы применяются редко. Большое распространение получила дуговая наплавка самозащитными порошковыми проволоками и лентами. Стабилизация дуги, легирование и защита расплавленного металла от азота и кислорода воздуха обеспечивается за счет компонентов сердечника электродного материала.
Дуговая наплавка в среде защитных газов применяется относительно редко. В качестве защитных газов используются СОг, аргон, гелий, азот или смеси этих газов.
Вследствие большого проплавления основного металла при дуговой наплавке необходимый состав наплавленного металла удается получить только в 3-5-мм слое.
Основные достоинства метода:
- универсальность;
- высокая производительность;
- возможность получения наплавленного металла практически любой системы легирования.
Основной недостаток:
- большое проплавление основного металла, особенно при наплавке проволоками.
Электрошлаковая наплавка (ЭШН)
ЭШН основана на использовании тепла, выделяющегося при прохождении электрического тока через шлаковую ванну.
Основные схемы электрошлаковой наплавки приведены на рис. 25.2.
Рис. 25.2. Схемы электрошлаковой наплавки:
а - плоской поверхности в вертикальном положении: б - неподвижным электродом большого сечения; в - цилиндрической детали проволоками; г - электродом-трубой; д - зернистым присадочным материалом: е - композиционного сплава; ж - составным электродом; з - плоской поверхности в наклонном положении; и - жидким присадочным металлом; к - горизонтальной поверхности с принудительным формированием; л - двумя электродными лентами со свободным формированием; 1 - основной металл: 2 - электрод; 3 - кристаллизатор; 4 - наплавленный металл; 5 - дозатор; 6 - тигель; 7 - флюс
ЭШН можно производить в горизонтальном, вертикальном или наклонном положении, как правило, с принудительным формированием наплавленного слоя. Наплавка на горизонтальную поверхность может идти как с принудительным, так и со свободным формированием.
Основные достоинства метода:
- высокая устойчивость процесса в широком диапазоне плотностей тока (от 0,2 до 300 А/мм 2), что позволяет использовать для наплавки как электродную проволоку диаметром менее 2 мм, так и электроды большого сечения (>35000 мм 2);
- производительность, достигающая сотен килограммов наплавленного металла в час;
- возможность наплавки за один проход слоев большой толщины;
- возможность наплавки сталей и сплавов с повышенной склонностью к образованию трещин;
- возможность придавать наплавленному металлу необходимую форму, сочетать наплавку с электрошлаковой сваркой и отливкой, на чем основана стыкошлаковая наплавка.
Основные недостатки метода:
- большая погонная энергия процесса, что обусловливает перегрев основного металла в ЗТВ;
- сложность и уникальность оборудования;
- невозможность получения слоев малой толщины (кроме способа ЭШН лентами);
Плазменная наплавка (ПН)
ПН основана на использовании в качестве источника сварочного нагрева плазменной дуги. Как правило, ПН выполняется постоянным током прямой или обратной полярности. Наплавляемое изделие может быть нейтральным (наплавка плазменной струей) или, что имеет место в подавляющем большинстве случаев, включенными в электрическую цепь источника питания дуги (наплавка плазменной дугой). ПН имеет относительно низкую производительность (4-10 кг/ч), но благодаря минимальному проплавлению основного металла позволяет получить требуемые свойства наплавленного металла уже в первом слое и за счет этого сократить объем наплавочных работ.
Существует несколько схем ПН (рис. 25.3), но наибольшее распространение получила плазменно-порошковая наплавка - наиболее универсальный метод, так как порошки могут быть изготовлены практически из любого, пригодного для наплавки, сплава.
Рис. 25.3. Схемы плазменной наплавки:
а - плазменной струей с токоведущей присадочной проволокой; б - плазменной струей с нейтральной присадочной проволокой; в - комбинированной (двойной) дугой одной проволокой; г - то же, с двумя проволоками; д - горячими проволоками; е - плавящимся электродом; ж - с внутренней подачей порошка в дугу; э - с внешней подачей порошка в дугу; 1 - защитное сопло; 2 - сопло плазмотрона; 3 - защитный газ; 4 - плазмообразующий газ; 5 - электрод; 6 - присадочная проволока; 7 - изделие; 5 - источник питания косвенной дуги; Я - источник питания дуги прямого действия; 10 - трансформатор; II - источник питания дуги плавящегося электрода; 12 - порошок: 13 - порошок твердого сплава
Основные достоинства метода ПН:
- высокое качество наплавленного металла;
- малая глубина проплавления основного металла при высокой прочности сцепления;
- высокая культура производства.
Основные недостатки ПН:
- относительно невысокая производительность;
- необходимость в сложном оборудовании.
Индукционная наплавка (ИН)
ИН - высокопроизводительный легко поддающийся механизации и автоматизации процесс, особенно эффективный в условиях серийного производства . В промышленности применяются два основных варианта индукционной наплавки: с использованием твердого присадочного материала (порошковой шихты, стружки, литых колец и т. п.), расплавляемого индуктором непосредственно на наплавляемой поверхности, и жидкого присадочного металла, который выплавляется отдельно и заливается на разогретую индуктором поверхность наплавляемой детали.
Основные достоинства метода ИН:
- малая глубина проплавления основного металла;
- возможность наплавки тонких слоев;
- высокая эффективность в условиях серийного производства.
Основные недостатки ИН:
- низкий к. п. д. процесса;
- перегрев основного металла;
- необходимость использования для наплавки только тех материалов, которые имеют температуру плавления ниже температуры плавления основного металла.
Лазерная (световая) наплавка (ЛН)
Применяется три способа ЛН: оплавление предварительно нанесенных паст; оплавление напыленных слоев; наплавка с подачей присадочного порошка в зону оплавления.
Производительность лазерной порошковой наплавки достигает 5 кг/ч. Требуемые составы и свойства наплавленного металла можно получить уже в первом слое небольшой толщины, что важно с точки зрения расхода материалов и затрат на наплавку и последующую обработку.
Основные достоинства метода:
- малое и контролируемое проплавление при высокой прочности сцепления;
- возможность получения тонких наплавленных слоев (<0,3 мм);
- небольшие деформации наплавляемых деталей;
- возможность наплавки труднодоступных поверхностей;
- возможность подвода лазерного излучения к нескольким рабочим местам, что сокращает время на переналадку оборудования.
Основные недостатки метода:
- малая производительность;
- низкий к. п. д. процесса;
- необходимость в сложном, дорогостоящем оборудовании.
Электронно-лучевая наплавка (ЭЛН)
При ЭЛН электронный пучок позволяет раздельно регулировать нагрев и плавление основного и присадочного материалов, а также свести к минимуму их перемешивание.
Наплавка производится с присадкой сплошной или порошковой проволоки. Так как наплавка производится в вакууме, то шихта порошковой проволоки может состоять из одних легирующих компонентов.
Основные достоинства метода:
- возможность наплавки слоев малой толщины.
Основные недостатки метода:
- сложность и высокая стоимость оборудования;
- необходимость биологической защиты персонала.
Газовая наплавка (ГН)
При ГН металл нагревается и расплавляется пламенем газа, сжигаемого в смеси с кислородом в специальных горелках. В качестве горючего газа чаще всего применяется ацетилен или его заменители: пропан-бутановая смесь, природный газ, водород и др. газы. Известна ГН с присадкой прутков либо с двуванием порошка в газовое пламя.
Основные достоинства метода:
- малое проплавление основного металла;
- универсальность и гибкость технологии;
- возможность наплавки слоев малой толщины. Основные недостатки метода:
- низкая производительность процесса;
- нестабильность качества наплавленного слоя.
Печная наплавка композиционных сплавов
Способ печной наплавки особоизносостойких композиционных сплавов основан на пропитке слоя твердых тугоплавких частиц (карбидов) сплавом-связкой в условиях автовакуумного нагрева.
В качестве износостойкой составляющей композиционного сплава наиболее часто используется релит грануляции 0,4- 2,5 мм или дробленые отходы спеченных твердых сплавов типа WC-Со. Обычно применяемый сплав-связка содержит около 20 % Мn, 20 % Ni и 60 % Сu.
Печная наплавка композиционных сплавов применяется преимущественно в черной металлургии для увеличения долговечности конусов доменных печей, уравнительных клапанов и других деталей, работающих в условиях интенсивного изнашивания.
Основное достоинство метода:
- возможность наплавки уникальных изделий сложной формы.
Основные недостатки метода:
- необходимость изготовления металлоемкой оснастки, которая после окончания процесса удаляется в металлолом;
- большая длительность подготовительных операций.
Волченко В.Н. "Сварка и свариваемые материалы".
Плазменная наплавка – это нанесение с помощью сжатой дуги слоя металла на поверхность изделия. Плазменная наплавка применяется при восстановлении изношенных деталей, когда необходимо восстановить размеры деталей и при этом обеспечить свойства наплавленного слоя, близкие к свойствам основного металла. Она также применяется при изготовлении новых деталей с целью придания рабочим поверхностям специальных свойств, например, жаропрочности, износостойкости, коррозионной стойкости и т. д. Масса металла наплавки в таких изделиях обычно составляет несколько процентов от массы всего изделия, а работоспособность поверхности детали значительно превосходит работоспособность однородного (без наплавки) изделия. При плазменной наплавке стремятся к минимальному перемешиванию основного металла с наплавленным, что обеспечивает высокие свойства наплавленного слоя.
Сущность плазменной наплавки состоит в том, что присадочный и основной металл расплавляются с помощью высококонцентрированного электродугового разряда (плазменного потока), который формируется между электродом плазмотрона и изделием (плазма прямого действия) или между электродом и водоохлаждаемым соплом плазмотрона (косвенного действия). При этом присадочный материал также может быть электрически нейтральным по отношению к струе плазмы или электрически связанным с ней (рис. 1). В качестве присадочного материала используются проволоки, прутки, сыпучие порошковые материалы или специально приготовленные шнуры из порошков.
Рис. 1. : а – плазменной струей с токоведущей присадочной проволокой; б – плазменной дугой с нейтральной присадочной проволокой; 1 – защитное сопло; 2 – сопло плазмотрона; 3 – защитный газ; 4 – плазмообразующий газ; 5 – электрод; 6 – присадочная проволока; 7 – изделие; 8 – источник питания косвенной дуги; 9 – источник питания дуги прямого действия
Преимущества плазменной наплавки по сравнению с другими способами нанесения слоев на поверхность сводятся к следующему.
- Гладкая и ровная наплавленная поверхность, что позволяет оставлять припуск на механическую обработку в пределах 0,4…0,9 мм.
- Малая глубина проплавления основного металла (0,3…2,5 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 плазменной наплавке получают слой 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 практически без оплавления поверхности.
- Термический КПД наплавки в 2…3 раза выше, чем при электродуговом процессе. Производительность процесса 0,4… 5,5 кг/ч. Производительность плазменно-порошковой наплавки аустенитных нержавеющих сталей не уступает производительности электродуговой наплавки.
Плазменно-порошковая наплавка (ППН) (рис. 2) – механизированный процесс, при котором источником теплоты служит сжатая дуга (плазма), а присадочным материалом – гранулированные металлические порошки, которые подаются в плазмотрон транспортирующим газом с помощью специального питателя.
Рис. 2. : 1 – изделие; 2 – источник питания плазменной дуги; 3 – вольфрамовый электрод; 4 – стабилизирующее сопло плазмотрона; 5 – ввод транспортирующего газа с порошком; 6 – фокусирующее сопло; 7 – ввод защитного газа; 8 – защитное сопло; 9 – устройство поджига дуги
Процесс плазменно-порошковой наплавки отличается уникальными технологическими возможностями. Малая глубина проплавления основного металла, прецизионная точность, высокая культура производства и возможность наплавки самых разнообразных сплавов – все это делает его незаменимым при наплавке клапанов ДВС, запорной арматуры, шнеков экструдеров и термопластавтоматов, инструмента и многих других деталей. Для плазменно-порошковой наплавки используется специализированное оборудование, состоящее из источника питания плазмы, плазмотрона, устройства для подачи порошка, пульта управления, блока охлаждения и газобаллонной арматуры. Например, аппарат типа ПМ-300 и его модификации предназначены для плазменно-порошковой наплавки плоских, цилиндрических и других поверхностей различных деталей (рис. 3). Для вращения или перемещения детали относительно плазмотрона может использоваться токарно-винторезный станок, манипулятор либо какой-нибудь другой механизм. Наплавка осуществляется высокотемпературной сжатой дугой, получаемой в плазмотроне с неплавящимся электродом. Присадочным материалом служит мелкозернистый порошок износостойких, коррозионно-стойких и других сплавов на основе Fe, Ni, Co и Cu.
Рис. 3. : 1 – источник питания; 2 – плазмотрон; 3 – манипулятор-вращатель; 4 – механизм регулировки плазмотрона и подачи порошка; 5 – пульт управления; 6 – баллон с аргоном
Благодаря возможности регулирования в широком диапазоне соотношения между тепловой мощностью дуги и подачей присадочного порошка ППН обеспечивает достаточно высокую производительность при минимальном проплавлении основного металла, что позволяет обеспечивать требуемую твердость и заданный химический состав наплавленного металла уже на расстоянии 0,3…0,5 мм от поверхности сплавления. Это дает возможность ограничиться однослойной наплавкой там, где электродуговым способом необходимо наплавить 3…4 слоя.
Важной особенностью ППН является отличное формирование наплавленных валиков, стабильность и хорошая воспроизводимость их размеров. Установлено, что у 95 % наплавленных деталей отклонение толщины наплавленного слоя от номинального размера не превышает 0,5 мм. Это позволяет существенно сократить расход наплавочных материалов, время наплавки, а также затраты на механическую обработку наплавленных деталей.
ППН обеспечивает высокую работоспособность деталей за счет отличного качества наплавленного металла, его однородности, а также благоприятной структуры, определяемой специфическими условиями кристаллизации металла сварочной ванны.
Основные преимущества ППН:
- высокая производительность (до 10 кг/ч);
- высокое качество наплавленного металла;
- малая глубина проплавления основного металла (до 5 %);
- минимальные потери присадочного материала;
- возможность наплавки относительно тонких слоев (0,5…5,0 мм).
В наплавочных плазмотронах можно использовать три схемы ввода порошка в дугу:
- распределенный через кольцевую щель между соплами (рис 2);
- локальный боковой через канал в торце сопла;
- аксиальный через полый электрод.
Наплавка комбинированным способом состоит в том, что в зону наплавки одновременно подаются порошок из питателя транспортирующим газом и проволока подающим механизмом (рис. 4).
Рис. 4. : 1 – корпус плазмотрона (анод); 2 – вольфрамовый электрод; 3 – электродная проволока; 4 – механизм подачи проволоки; 5 – источник питания; 6 – наплавляемая деталь; 7 – порошковый питатель
Известный способ наплавки плазменной струей с токоведущей проволокой позволяет наплавлять слои с минимальной глубиной проплавления. Однако этот способ ограничивается использованием проволок с температурой плавления ниже температуры плавления основного металла (проволоки из меди, медных сплавов, аустенитных сталей).
Применение для наплавки на стальные изделия сварочных низкоуглеродистых проволок (Св-08А, Св-082ГС), а также легированных износостойких наплавочных проволок (Нп-ЗОХГСА, Нп-65Г и др.) в качестве токоведущих не обеспечивает качественного формирования слоев из-за недостаточного подвода теплоты к основному металлу и плохой смачиваемости его подложки. Слои, наплавленные порошками твердых сплавов, характеризуются высокой износостойкостью, но низкой пластичностью. Слои, наплавленные проволоками, имеют, как правило, высокую пластичность, но значительно уступают порошкам по износостойкости и степени перемешивания с основным металлом. Объединение проволоки и порошка в единую схему позволило повысить эффективность сжатой дуги и добиться образования слоев без пор, трещин за один проход.
Важное преимущество комбинированного способа наплавки – возможность расширения диапазона регулирования состава наплавленного металла и получения слоев с требуемыми свойствами.
Плазменная наплавка твердыми сплавами . Для восстановления быстроизнашивающихся деталей тракторов, автомобилей, сельскохозяйственных машин и т. д. широко применяется износостойкая наплавка. Такая наплавка осуществляется различными твердыми сплавами: литыми (стеллит, сормайт), трубчатыми (рэлит), порошковыми (сталинит, сормайт, боридохромовые смеси). Плазменная наплавка рассматриваемых твердых сплавов может быть осуществлена как по схеме наплавки с токоведущей присадочной проволокой (в случае применения литых или трубчатых сплавов), так и по схеме наплавки порошками. Так как проволока из литых и трубчатых сплавов не изготавливается, то вместо присадочной проволоки применяются присадочные токоведущие прутки. Присадочный пруток подается к плазменной струе между двумя направляющими роликами по направляющей медной трубке. В качестве плазмообразующего и защитного газа используется аргон.
Плазменная наплавка с применением в качестве присадочного материала металлического порошка . В ряде случаев из наплавочного сплава трудно изготовить проволоку, ленту или даже прутки. Тогда для плазменной наплавки в качестве присадочного материала могут применяться металлические порошки. Способы наплавки с использованием порошков удобно применять и тогда, когда необходимо получить тонкий (менее 1 мм) слой металла наплавки.
При наплавке по слою порошка присадкой служит крупнозернистый порошок требуемого состава. Такой порошок либо заранее насыпается на наплавляемую поверхность, либо подается в сварочную ванну из питателя непосредственно в процессе наплавки через плазмотрон. Разработана целая гамма плазмотронов для плазменнопорошковой наплавки различных поверхностей и рассчитанных на различные мощности плазмы. Например, универсальный плазмотрон ПП-6-03 предназначен для плазменно-порошковой наплавки различных деталей сплавами на основе Fe, Ni и Co с целью защиты их от износа, коррозии и т. д. Конструктивно плазмотрон состоит из двух частей – собственно плазмотрона и держателя с горизонтальным расположением коммуникаций, являющегося неотъемлемой его частью. Плазмотрон присоединяется к держателю с помощью четырех питающих трубок и фиксируется четырьмя полыми винтами, что позволяет очень быстро присоединять или отсоединять его при монтаже и обслуживании (рис. 5).
Рис. 5. : а – схема плазмотрона; б – внешний вид
Чаще всего для плазменной наплавки применяются порошки на основе никеля, кобальта или железа. Присадки бора и кремния снижают температуру плавления сплава, что позволяет получить тонкий слой металла наплавки при малой (меньше 10 %) степени проплавления основного металла. В то же время примеси бора и кремния повышают твердость и износостойкость металла наплавки. Такие сплавы жаростойки до температуры 950 °С, сохраняют высокую твердость при нагреве до 750 °С и обладают хорошей коррозионной стойкостью в растворах NH4Cl, KCl, NaOH, 10 %-ной серной кислоте и других средах. Поэтому хромоникелевые сплавы с бором и кремнием нашли широкое применение для наплавки клапанов двигателей внутреннего сгорания, поршней кислотных насосов и т. д.
Плазменная наплавка по способу вдувания порошка в струю может применяться как для наплавки на основной металл легкоплавких, так и тугоплавких сплавов. Достижимая минимальная глубина проплавления основного металла составляет около 0,25 мм. Минимальная толщина слоя наплавки 0,5 мм; максимальная толщина при наплавке в один проход составляет 5…6 мм. Для наплавки по способу вдувания порошка в плазменную струю используются те же порошки, что и при наплавке по слою порошка. Качество наплавки при этом остается хорошим.
Плазменная наплавка с применением присадочных материалов в виде порошковых сплавов обеспечивает высокое качество наплавленного металла. Так, наплавленный порошком ЛП8 металл по химическому составу соответствует кобальтовому стеллиту. Порошки ПГ-У30Х28Н4С4 и ЛП3 предназначены для наплавки деталей, работающих в условиях абразивного износа. При наплавке сплавов на основе кобальта с добавками хрома (21…32 %), вольфрама (4…17 %), углерода, кремния, марганца, железа, никеля обеспечивается твердость наплавленного слоя HRC 32…52, на основе никеля HRC 34…54, на основе железа – HRC 55…63.
Микроплазменное напыление с использованием проволочных материалов . Одним из видов плазменно-дугового напыления (наплавки) является метод получения покрытий с использованием проволок в качестве присадочного материала. До настоящего времени такое напыление осуществлялось плазмотронами достаточно большой мощности. Например, в установке УПУ-8М плазмотрон мощностью 40 кВт проводит напыление из проволочных материалов диаметром 0,8…1,2 мм. При этом на деталях с толщиной стенок 1 мм возникает опасность местного перегрева и коробления изделия. Необходимость плазменного напыления на узкие ребра или дорожки ведет к большим потерям напыляемого материала (диаметр пятна напыления обычно составляет 15…30 мм). Анализируя существующие установки и теоретическую оценку возможности распыления проволоки микроплазменной струей, ученые ИЭС им. Е.О. Патона разработали приставку к плазмотрону для микроплазменного напыления, позволяющую проводить процесс с применением проволочных материалов. Приставка была использована в комплекте с существующей установкой МПН-004, предназначенной для напыления покрытий из порошковых материалов. Она включает источник питания с панелью управления, плазмотрон и специальное устройство для подачи порошка. Конструкция и параметры работы плазмотрона обеспечивают формирование ламинарной плазменной струи, что обусловливает ряд особенностей процесса:
- возможность уменьшения размера пятна напыления до 1…5 мм;
- возможность нанесения покрытий на изделия малых размеров с тонкими стенками без излишнего локального перегрева и коробления;
- низкий уровень звука ламинарной плазменной струи (всего 30…50 дБ).
Отличительной особенностью этой установки является наличие компактного механизма подачи проволоки в межэлектродный участок плазменной струи. Проволока подается приводом постоянного тока при помощи фрикционных роликов. Подающий механизм имеет ступенчатую (за счет сменных роликов) и плавную (за счет изменения числа оборотов на валу электродвигателя) регулировки скорости подачи проволоки.
Технологический процесс нанесения покрытий при расплавлении как присадочного материала (прутков, проволок, трубок, стержней, лент, порошков), так и поверхностного слоя наплавляемой металлической поверхности. В зависимости от вида источника нагрева наплавка может производиться при помощи теплоты газового пламени (газопламенная), электрической дуги (электродуговая в среде защитного газа, под флюсом и др.), расплавленного шлака (электрошлаковая), концентрированных источников энергии - сжатой дуги (плазменная), лазерного луча (лазерная) и др. методами.
Назначение
Изготовление деталей с износо- и коррозионностойкими свойствами поверхности, а также восстановление размеров изношенных и бракованных деталей, работающих в условиях высоких динамических, циклических нагрузок или подверженных интенсивному изнашиванию.
Выбор способа
Выбор и использование конкретного способа наплавки определяется условиями производства, количеством, формой и размерами наплавляемых деталей, допустимым перемешиванием наплавленного и основного металла, технико-экономическими показателями, а также величиной износа. Выбор типа материала покрытия производится в соответствии с условиями эксплуатации деталей. В качестве присадочного материала при наплавке деталей во многих случаях наиболее эффективно использование порошков, которые технологичны в изготовлении и обеспечивают получение химического и фазового состава покрытия в широких пределах.
Достоинства
- нанесение покрытий значительных толщин;
- отсутствие ограничений по размерам наплавляемых поверхностей;
- получение требуемых размеров восстанавливаемых деталей путем нанесения материала того же состава, что и основной металл;
- использование не только для восстановления размеров изношенных и бракованных деталей, но и ремонта изделий за счет залечивания дефектов (раковин, пор, трещин);
- низкое тепловложение в основной металл при плазменной наплавке;
- многократное проведение процесса восстановления и, следовательно, высокая ремонтоспособность наплавляемых деталей;
- высокая производительность;
- относительная простота и малогабаритность оборудования, легкость автоматизации процесса.
Недостатки
- возможность изменения свойств наплавленного покрытия из-за перехода в него элементов основного металла;
- изменение химического состава основного и наплавленного металла вследствие окисления и выгорания легирующих элементов в околошовной зоне;
- возникновение повышенных деформаций за счет термического воздействия;
- образование больших растягивающих напряжений в поверхностном слое детали, достигающих 500 МПа и снижение характеристик сопротивления усталости;
- возможность структурных изменений в основном металле, в частности, образование крупнозернистой структуры, новых хрупких фаз;
- возможность возникновения трещин в наплавленном металле и зоне термического влияния и, как следствие ограниченный выбор сочетаний основного и наплавленного металлов;
- наличие больших припусков на механическую обработку, приводящих к существенным потерям металла наплавки и повышению трудоемкости механической обработки наплавленного слоя;
- требования преимущественного расположения наплавляемой поверхности в нижнем положении;
- использование в отдельных случаях предварительного нагрева и медленного остывания наплавляемого изделия, что увеличивает трудоёмкость и длительность процесса;
- трудность наплавки мелких изделий сложной формы.
Плазменная наплавка
Плазменными называются производственные технологии, использующие воздействие плазмы (четвертого агрегатного состояния вещества) на различные материалы с целью изготовления, обслуживания, ремонта и/или эксплуатации изделий. При плазменной наплавке нагрев детали и присадочного материала осуществляется электродуговой плазмой, которая генерируется дугой прямого действия сжатой плазмообразующим соплом и плазмообразующим газом или дугой косвенного действия, горящей между электродом и плазмообразующим соплом (между электродом и присадочной проволокой) или двумя дугами одновременно.
Плазменно-порошковая наплавка
При плазменно-порошковой наплавке применяется как процесс, использующий одну дугу прямого действия, так и двухдуговой РТА процесс (plasma transferred arc), где действует одновременно дуга прямого действия, горящая между электродом и изделием, и дуга косвенного действия, горящая между электродом и плазмообразующим соплом (рис. 1). В связи с тем, что традиционно процесс нанесения покрытий с использованием косвенной дуги называется плазменным напылением, а с применением дуги прямого действия - плазменной наплавкой, PTA процесс получил название плазменная наплавка-напыление.
Рис. 1. Схемы плазмотронов для сварки (а), наплавки (а, б), напыления (в, г), финишного плазменного упрочнения (г), закалки (а – без ПП), где ПГ – плазмообразующий газ, ЗГ – защитный газ, ТГ – транспортирующий газ, ДГ – фокусирующий газ, ПП – присадочная проволока; П – порошок или реагенты для упрочненияПроцесс плазменной наплавки-напыления можно охарактеризовать как метод нанесения порошковых покрытий толщиной 0,5-4,0 мм с регулируемым вводом тепла в порошок и изделие плазмотроном с двумя горящими дугами прямого и косвенного действия. Косвенная (пилотная, дежурная) дуга используется для расплавления присадочного порошка, а основная дуга - для оплавления поверхностного слоя детали и поддержания необходимой температуры порошка на детали. Раздельное регулирование параметров основной и косвенной дуги обеспечивает эффективное расплавление порошка при минимальном нагреве поверхности детали.
Основные преимущества плазменной наплавки-напыления:
- минимальное термическое воздействие на основной металл;
- минимальное перемешивание основного и наплавленного металла;
- высокий коэффициент использования присадочного материала;
- незначительные припуски на механическую обработку;
- минимальные деформации наплавленной детали;
- равномерность высоты наплавленного слоя;
- высокая стабильность процесса.
В табл. 1 представлены отличительные характеристики плазменной наплавки-напыления от ближайших аналогов. Так покрытия, наносимые плазменной наплавкой с использованием дуги прямого действия, обеспечивают чрезмерное оплавление основного металла и его перемешивание с присадочным материалом, а покрытия, наносимые плазменным напылением, не являются беспористыми и ограничены толщиной порядка 1 мм (за пределами которой возможно растрескивание вследствие высоких внутренних напряжений).
Таблица 1. Основные свойства покрытий, наносимых плазменными методами
Вид плазмотронов для процесса плазменной наплавки-напыления представлен на рис. 2.
Рис. 2. Плазмотроны для плазменной наплавки-напыления
Сравнительные характеристики всех производственных плазменных технологий приведены в табл. 2 (положительные стороны процессов выделены серой заливкой ячеек, а наибольшие преимущества отмечены жирным шрифтом), а на рис. 3 представлены варианты их использования.
Таблица 2. Характеристики плазменных технологий
Характеристика | Сварка | Наплавка | Напыление | ФПУ | Закалка |
Схема обработки | |||||
Толщина обрабатываемых деталей, мм | 0,5 - 10 | более 2 | любая | любая | более 3 |
Толщина покрытия (или глубина закалки без оплавления), мм | - | большая (1-4) | средняя (0,1-1,0) | малая (0,0005-0,003) | средняя (0,3-1,5) |
Прочность соединения покрытия с основой | - | высокая | понижен-ная | высокая | – |
Интегральная температура основы, оС | высокая (200-1000) | высокая (200-1000) | низкая (100-200) | низкая (100-200) | низкая (200-300) |
Термическая деформация изделия | пониженная | есть | нет | нет | есть |
Структурные изменения основы | есть | значительные | нет | минимальные | есть |
Предварительная подготовка поверхности основы | очистка от окалины и органики | абразивно-струйная обработка | очистка от органики (обезжиривание) | очистка от окалины и органики | |
Пористость покрытия | - | нет | есть | минимальная | – |
Сохранение класса шероховатости поверхности | – | нет | нет | да | да |
Поверхность может иметь повышенную твердость | – | да | да | да | да |
Покрытие может быть износостойким | – | да | да | да | да |
Покрытие может быть жаростойким (до 1000оС) | – | да | да | да | – |
Покрытие может быть диэлектрическим | – | нет | да | да | – |
Расходы на материал покрытия (присадки) | пониженные | высокие | средние | низкие | нет |
Возможность сохранения высокой твердости основы | нет | ограниченная | да | да | да (вне ЗТВ) |
Возможность обработки острых кромок | – | да (с доп. механи-ческой обработ-кой) | как правило – нет | да | да (ограни-ченно) |
Возможность эксплуатации покрытий при ударных нагрузках | – | да | нет | да | да |
Необходимость дополнительной механической обработки покрытий | – | как правило - да | как правило - да | нет | – |
Экологическая чистота технологии | высокая | средняя | низкая | высокая | высокая |
Затраты на оборудование производственного участка | средние | средние | высокие | низкие | низкие |
Отходы технологии | низкие | средние | значительные | нет | нет |
Возможность проведения техпроцесса вручную и автоматически | в основном - автоматически | да | да | да | только автоматически |
Возможность интеграции технологии без изменения других техпроцессов | нет | нет | нет | да | да |
Плазменная наплавка наиболее часто используется для нанесения покрытий на клапана автомобильных и судовых двигателей, различные экструдеры и шнеки, детали арматуры и другие детали. Экономическая эффективность плазменной наплавки определяется повышением долговечности наплавленных деталей при снижении расхода используемых порошковых материалов, затрат на их обработку, экономии газа.
Рис. 3. Процесс плазменной наплавки
Ссылка на книги и статьи
- Соснин Н.А., Ермаков С.А., Тополянский П.А. Плазменные технологии. Руководство для инженеров. Изд-во Политехнического ун-та. СПб.: 2013. - 406 с.
- Тополянский П.А., Тополянский А.П. Прогрессивные технологии нанесения покрытий - наплавка, напыление, осаждение. РИТМ: Ремонт. Инновации. Технологии. Модернизация. 2011, № 1 (59). - С. 28-33
- Ермаков С.А., Тополянский П.А., Соснин Н.А. Оценка качества процесса плазменной наплавки. Сварка и диагностика. 2015. № 3. - C. 17-19
- Ермаков С.А., Тополянский П.А., Соснин Н.А. Оптимизация плазменной порошковой наплавки двухдуговым плазмотроном. Ремонт. Восстановление. Модернизация. 2014. № 2. - С. 19-25
«Центр защитных покрытий - Урал» (ЦЗПУ) применяет технологию наплавки плазменно-порошковая наплавка, которая позволяет значительно повысить и стабилизировать качество наплавляемых деталей, сократить расход наплавочных материалов и затраты на механическую обработку наплавленных деталей. Брак при плазменной наплавке не превышает 1%, а его появление напрямую связано с нарушениями технологического процесса. Плазменно-порошковая наплавка осуществляется при наплавке деталей горловых колец и клапанов, чистовых стеклоформ и седел запорной арматуры порошковыми материалами. После плазменно порошковой наплавки детали способны выдерживать влияние агрессивных химических сред и повышенных температур, и при этом сохранять свои высокие прочностные характеристики. Плазменная наплавка очень эффективна при восстановлении изношенных шиберов и седел. Длительную и надежную работу наплавленных деталей запорной арматуры обеспечивают особая конструкция фонтанной арматуры и применение для наплавки седел и шиберов сплавов на никелевой основе с высокими твёрдостью и коррозионной стойкостью. Процесс плазменной наплавки обеспечивает хорошую управляемость, позволяет получать высококачественные коррозиестойкие и износостойкие покрытия в широком диапазоне материалов и деталей оборудования. Плазменная наплавка нашла применение при восстановлении ответственных деталей например — клапаны с износом фаски и стержня, кулачковые, коленчатые и распределительные валы, оси, штоки, плунжеры гидросистем, крестовины карданных шарниров, валы турбокомпрессоров, направляющие оборудования, щеки и седла задвижек, шнеки экструдеров, шнеки смесителей, детали нефтеперекачивающего оборудования и мн.др. Основная область применения плазменно порошковой наплавки это нанесение тонкослойных покрытий на нагруженные детали с малым износом.
Плазменная порошковая наплавка современный метод нанесения на поверхность изношенных изделий специальных порошковых покрытий с высоким показателем износостойкости. Высокая концентрация тепловой мощности и минимальная ширина зоны термического влияния — основное достоинство плазменной наплавки. Она выполняется для восстановления деталей машин и механизмов, а также при упрочнении механических изделий, которые подвергаются постоянным высоким нагрузкам. Плазменная порошковая наплавка дает возможность получения толщины наплавляемого слоя от 0,1 мм до нескольких миллиметров. Плазменная порошковая наплавка обеспечивает высокую работоспособность деталей за счет отличного качества наплавленного металла, его однородности, а также благоприятной структуры, определяемой специфическими условиями кристаллизации металла.
Преимущества плазменной наплавки по сравнению с другими видами нанесения износостойких покрытий сводятся к следующему. Гладкая и ровная поверхность полученных покрытий позволяет оставлять припуск на обработку 0,4…0,9 мм. Малое вложение тепла в обрабатываемую деталь обеспечивает малые деформации и термические воздействия на структуру основы. Небольшая зона термического влияния 3…6 мм и малая глубина проплавленного слоя 0,3…3,5 мм обусловливают долю основного металла в покрытии мене 5 %. 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.