Поверхневої обробки. 2. 1. Плазмове наплавлення

2.1. Плазмове наплавлення

Сучасне виробництво ставить особливі вимоги до підвищення ресурсу та надійності роботи машин і механізмів. Зношування та руйнування деталей машин обмежують тривалість нормальної експлуатації агрегатів, викликають їх простоювання та потребують додаткових затрат на виготовлення запасних частин і ремонт машин.

Експлуатаційна надійність деталей машин та механізмів знаходиться у прямій залежності від їх міцності, зносостійкості, термічної та корозійної стійкості. Одним із методів збільшення терміну служби деталей машин є створення на їх поверхні покриттів, які мають підвищені фізико-механічні властивості та експлуатаційні характеристики.

На сьогоднішній день одним з найбільш перспективних для промислового використання є метод плазмового наплавлення захисних і зносостійких матеріалів у газовій (захисній) атмосфері. Розкриття технологічних особливостей даного методу, опис використовуваного обладнання, принципу його роботи, ознайомлення із застосуванням у промисловості дозволять повніше вивчити і засвоїти особливості цього методу та ефективність його використання у виробництві.

2.1.1. Способи одержання плазми

Плазмовий струмінь, який використовується для наплавлення, є напрямленим потоком частково або повністю іонізованого газу, який має температуру 7000-20000 °С. Плазма отримується у плазмових пальниках (плазмотронах) шляхом пропускання газу через стиснену дугу. Дуга горить у вузькому каналі сопла пальника, через який продувається газ. При цьому стовп дуги стискається, що призводить до підвищення в ньому густини енергії та зростання температури. Газ, що проходить крізь стовп дуги, нагрівається, іонізується і виходить із сопла у вигляді високотемпературного плазмового потоку. Як плазмоутворюючий газ використовуються: азот, аргон, водень, гелій, повітря та їх суміші. Газ вибирається залежно від процесу обробки та виду оброблюваного матеріалу.

Використовуються два основні плазмові джерела нагрівання — плазмовий потік, виділений із стовпа непрямої дуги, та плазмову дугу, в якій дуга прямої дії є одночасно плазмовим потоком. Відповідно використовуються дві схеми плазмових пальників (рис.2.1, 2.2).

У пальниках для отримання плазмового струменя дуга 1 збуджується між вольфрамовим електродом 2 та соплом 4, до якого під’єднано позитивний полюс джерела струму (рис.2.1). Електрод ізольовано від корпусу пальника керамічною прокладкою 3. Сопло інтенсивно охолоджується водою. З сопла, яскраво світячись, випливає плазмовий потік 5. Пальник живиться постійним струмом прямої полярності від джерела із спадною характеристикою. Дуга збуджується за допомогою осцилятора.

Рис.2.1. Схема процесу отримання плазмового потоку,

виділеного з дуги

Рис. 2.2. Схема процесу отримання плазмової дуги, суміщеної з плазмовим потоком: 1 — дуга; 2 — вольфрамовий електрод; 3 — керамічна прокладка; 4 — сопло; 5 — плазмовий струмінь; 6 — концентричне сопло; 7 — заготовка

Плазмовий потік є незалежним джерелом тепла, яке дозволяє змінювати у широких межах ступінь нагрівання та глибину проплавлення поверхні заготовок. Теплова потужність плазмового потоку обмежена і вона використовується для зварювання та різання тонких металевих листів та неелектропровідних матеріалів, а також наплавлення тугоплавких матеріалів на поверхню заготовки. Пальники, що призначені для зварювання, обладнані концентричним соплом 6, через яке подається захисний газ.

За будовою пальники для отримання плазмової дуги (рис.2.2) принципово не відрізняються від пальників першого типу. У даній схемі дуга горить між електродом та заготовкою 7. Для полегшення запалювання дуги спочатку збуджується малопотужна допоміжна дуга між електродом та соплом. Для цього до сопла під’єднується струмопідвід від позитивного полюса джерела струму. Як тільки плазмовий потік, що виник, торкнеться заготовки, запалюється основна дуга, а допоміжна вимикається. Плазмова дуга, що має більшу теплову по­тужність порівняно із тепловим потоком, знайшла широке застосування при обробці матеріалів. Плазмова дуга використовується для зварювання високолегованих сталей, нікелю, молібдену, вольфраму та інших матеріалів. Нею послуговуються при різанні металів, особливо таких, різання яких іншими методами є ускладнене, наприклад, міді, алюмінію та інших. За допомогою плазмової дуги наплавляють туго­плавкі суцільні або порошкові матеріали на поверхню заготовок.

2.1.2. Схеми плазмового наплавлення

У промисловості використовуються декілька різновидностей плазмового наплавлення, які відрізняються, в основному, способом подачі і типами присадних матеріалів. Присадний матеріал потрібного складу подається у плазмову дугу або плазмовий потік у вигляді дроту, стрічки, спресованих металокерамічних кілець та пластинок, а також у вигляді порошку. Найбільш проста схема – це плазмовий пальник прямої дії і присадний дріт, що подається в дугу спеціальним механізмом.

На рис.2.3 показано схему плазмового наплавлення із струмоведучим присадним дротом. Джерелом тепла для розплавлення присадного дроту є дводуговий розряд. Одна дуга (малопотужна) горить між вольфрамовим електродом 1 і соплом 2, а друга (основна) — між вольфрамовим електродом та дротом 4. Через сопло 3 подається захисний газ, яким є аргон. Основний метал розігрівається теплотою перегрітого розплавленого металевого дроту та факелом плазмового потоку. За такою схемою наплавляються сплави, які можна виготовити у вигляді дроту: бронза, латунь, нержавіючі сталі, тощо. Як струмопровідний присадний дріт використовується також порошковий дріт та стрічка.

На рис.2.4 показана схема плазмово-порошкового наплавлення. Порошок відповідного складу вдувається у дугу через спеціальні канали в пальнику. Такий пальник має три сопла. У внутрішньому робочому соплі 2 формується плазмовий потік; через сопло 3 подається порошок; через сопло 4 — захисний газ (аргон). Джерело 5 слугує для запалювання дуги між електродом 1 і соплом 2. В плазмовому потоці цієї дуги плавиться порошок. Джерело 6 формує плазмовий потік прямої дії, який оплавляє поверхню виробу 7 і є додатковим джерелом тепла для плавлення порошкового матеріалу. Регулюючи величину струму плазмової дуги, можна змінювати кількість тепла, що йде на плавлення порошкового матеріалу та основного металу. За цією схемою проводиться наплавлення високолегованих сплавів на основі нікелю та різних зносостійких карбідних композицій.

Існують інші схеми плазмового наплавленя, в яких як наплавляємі матеріали використовуються порошки. При цьому порошок подається у зону наплавлення або заздалегідь насипається на виріб, а потім плавиться дугою. Іноді замість порошку застосовуються кільця, пластинки та інші матеріали, форма яких відповідає наплавлюваному профілю. Такий матеріал виготовляється шляхом пресування суміші порошків із наступним їх спіканням для одержання відповідних сплавів.

Рис.2.3. Схема плазмового наплавлення із струмоведучим присадним дротом: В – вода; П – порошок; ПГ – плазмо-утворюючий газ; ЗГ – захисний газ; 1 – Вольфрамовий електрод; 2, 3 – сопло; 4 –наплавляємий дріт; 5 – джерело живлення

Рис.2.4. Схема плазмово-порошкового наплавлення: В – вода; П – порошок; ПГ – плазмоутво-рюючий газ; ТГ – транспортуючий газ; ЗГ – захисний газ; 1 – Електрод; 2; 3, 4 – сопла; 5, 6 – джерела живлення; 7 – виріб

Продуктивність зазначених вище способів плазмового наплавлення є відносно невеликою і становить 0,5 — 10 кг наплавленого металу за годину. Більш високою продуктивністю (до 30 кг/год) характеризується плазмове наплавлення з подачею у ванну двох електродів, що плавляться. У цьому випадку два електродні дроти під’єднуються послідовно до джерела змінного струму і подаються у зварювальну ванну, яка створюється плазмовою дугою прямої дії. Змінний струм, що проходить через дроти, нагріває їх майже до розплавлення. Нагрів дротів регулюється величиною змінного струму та величиною вильоту електродів. Струм і виліт повинні бути такими, щоб між дротами не виникала дуга. Підігріті електроди і хвостова частина ванни захищаються газом, який поступає із спеціального сопла, а передня частина ванни — газом, що утворює плазму.

2.1.3. Установка для плазмового наплавлення порошковими матеріалами

Для плазмового наплавлення або відновлення виробів створено спеціальну установку. Вона складається з блоку живлення, плазмо­трона, дозатора порошкового матеріалу, пристрою для зворотньо-поступального переміщення та обертання плазмотрона й деталей.

Установка призначена для автоматизованого плазмового на­плавлення на прямій і оберненій полярності порошковими матеріалами у захисній атмосфері аргону (азоту, вуглекислого газу). Основні параметри установки наведені в таблиці 2.1.

2.1.3.1. Загальна будова установки

Установка (рис.2.5) складається із переносного блока управління 1, плазмотрона 2, аргоно-дугового пальника, педальної кнопки, газового редуктора із витратоміром, підставки 3, шафи управління 4, з’єднувальних дротів та шлангів. На джерелі живлення встановлюється підставка, на якій кріпиться переносний блок управління, котрий можна повертати. Загальна схема установки показана на рис.2.6.

Рис. 2.5. Установка для плазмового наплавлення: 1 — переносний блок управління; 2 — плазмотрон; 3 — підставка;4 — шафа управління

Рис.2.6. Загальна схема установки: 1 — деталь; 2 — плазмотрон; 3 — блок підпалювання дуги; 4 — пристрій для кріплення переносного блоку управління; 5 — шафа управління; 6 — редуктор; 7 — газовий балон; 8 — злив води; 9 — вхід води; 10 — педальна кнопка

Таблиця 2.1.

Параметри установки

№ п/п	Найменування параметрів	Оди-ниці виміру	Норма
	Номінальна напруга живлення	В
	Номінальна частота живлення	Гц
	Максимальна напруга неробочого ходу	В
	Номінальний струм зварювання	А
	Номінальна робоча напруга	В
	Межі регулювання струму зварювання — не менше — не більше — І діапазон — ІІ діапазон	А	4-18 18-315
	Максимальний струм допоміжної дуги	А
	Межі зміни робочої напруги	В	18-40
	Межі регулювання тривалості імпульсу й паузи, (не менше)	с	0.1-1.0
	Максимальна споживана потужність	кВА
	Мінімальна витрата охолоджуючої рідини (води) у плазмотроні при вхідному тискові 245 кПа	л/год
	Плазмоутворюючий та захисний газ	—	Аргон
	Витрата газу	л/год	70-100

2.1.3.2. Будова та принцип роботи

Основною робочою частиною установки є плазмотрон (рис.2.7). Він слугує для збудження та стабілізації електричної дуги, яка запалюється між електродом та виробом. Порошковий сплав подається на зріз плазмотрона (~4-5 мм) спеціально розробленим дозуючим пристроєм (рис.2.8).

Рис.2.7. Плазмотрон

Рис.2.8. Дозуючий пристрій

При плазмовому наплавленні стабілізація та стиснення дуги проводяться тангенційним потоком газу, що проходить через сопло.

Як джерело живлення електричної дуги використовується напівпровідниковий випрямляч з крутопадаючою зовнішньою вольтамперною статичною характеристикою (рис.2.9).

Рис.2.9. Вольтамперні характеристики

Рис.2.10. Схема плазмового наплавлення сталі: 1 – плазмотрон; 2 – плазмова дуга; 3 – порошковий сплав; 4 – напрямок наплавлення; 5 – наплавлений метал; 6 – навуглецьована зона; 7 – основний метал; 8 – напрямок подачі порошкового сплаву; 9 – основний метал, що плавиться; 10 – поверхнева окисна плівка

При подачі напруги між електродом та соплом за допомогою пристрою запалювання дуги збуджується допоміжна чергова дуга. Основна зварювальна дуга збуджується автоматично при наближенні плазмотрона до виробу. При роботі з пальником напруга подається між електродом та виробом. При цьому відразу збуджується основна зварювальна дуга.

При запалюванні основної дуги на зріз плазмотрона подається порошковий сплав. Після досягнення струмом основної дуги певної величини, процес наплавлення протікає у межах встановленого значення струму при зміні напруги на дузі від 18 до 50 В.

Закінчення процесу наплавлення відбувається при відпусканні кнопки на плазмотроні (або педалі, при роботі з аргоно-дуговим пальником). При обриві дуги або при вимкненні установки напруга з ви­хідних клем джерела живлення автоматично знімається.

2.1.3.3. Порядок роботи

1. Встановити ручку автомата на задній стінці шафи управління в положення “Вимкнено”. При цьому запалюються сигнальні лам­почки на шафі управління і переносному блоці управління.

2. Встановити перемикачі ВЗ у положення, яке відповідає вибраному діапазону зварювального струму.

3. Включити установку кнопкою “Пуск”, яка знаходиться на передній панелі шафи управління. Переконатись, що вентилятор обертається у потрібному напрямку. На панелі переносного блоку запалюється зелена лампочка.

4. Відкрити кран подачі води для охолодження. Впевнитись у її наявності, контролюючи злив), і відсутності витікання води у плазмотроні.

5. Відкрити кран газового балона. Встановити тиск 1,0-1,5 ^. 10⁵ Па на вході редуктора газового балона. Натиснути кнопку “Перевірка газу” на передній панелі переносного блоку. Переконатись у проходженні потоку газу через сопло плазмотрона і у відсутності його витікання у газовій системі.

6. Перемикач поставити у положення “Неперервний режим”.

7. Резистором регулювання струму (лицьова сторона панелі переносного блоку) встановити необхідний струм.

8. Встановити плазмотрон на відстані не меншій 50 мм від поверхні виробу. Натиснути кнопку запалювання дуги. Після цього має початись подача газу і через 3 с із сопла повинен з’явитися факел чергової дуги.

9. Встановити плазмотрон над точкою початку наплавлення на відстані 2-5 мм від зовнішнього зрізу сопла. Через 3 с повинна загорітися основна дуга. У випадку незапалювання дуги, продовжувати натискати кнопку. Через 9с цикл запалювання автоматично повториться.

10. Після запалювання основної дуги включити подачу порошкового матеріалу і механізм переміщення (обертання) виробу.

11. По закінченні процесу наплавлення відпустити кнопку (педаль) запалювання дуги. При цьому зварювальний струм почне плавно спадати. Провести заплавлення кратера. Для захисту наплавленого металу від окислення слід продовжувати утримувати плазмотрон над місцем наплавлення протягом 1-10 с після обриву дуги.

При наплавленні без заплавлення кратера допускається обрив дуги відведенням плазмотрона від виробу.

2.1.4. Процес плазмового наплавлення

Процес нанесення зміцнюючого шару на робочу поверхню деталі складається з таких операцій:

– підготовка порошкових матеріалів до наплавлення;

– підготовка деталі до зміцнення, настроювання режиму;

– нанесення зміцнюючого шару;

– механічна обробка деталі після її охолодження;

– контроль якості.

Плазмове наплавлення полягає в подачі порошку дозуючим пристроєм на зріз плазмотрона з наступним його розплавленням та перемішуванням із основним (розплавленим) металом (рис.2.10).

У процесі кристалізації формується структура наплавленого металу, яка є сплавом порошкового матеріалу з основним металом. Під наплавленим металом формується навуглецьована (перехідна) зона. Особливістю технології є використання малогабаритного плазмотрону товщиною 10-12 мм, що дозволяє наносити покриття на ділянки виробів, які розташовані в безпосередній близькості (2-3 мм) від перешкод (виступів) на деталі. Частота обертання деталі — 0-130 хв^-1. Частота зворотньо-поступального руху плазмотрона — 0-5 Гц при амплітуді переміщень 0-10 мм. Швидкість переміщення плазмотрона 0-10 мм/с. Пристрій, яким обладнано токарний верстат, дозволяє також отримувати покриття на плоских поверхнях. На торцеві поверхні наплавка проводиться по спіралі Архімеда.

Параметри плазмового наплавлення в захисній атмосфері аргону наведені в таблиці 2.2.

2.1.5. Формування евтектичних покриттів на залізовуглецевих сплавах

За структурним станом та фізико-механічними властивостями евтектичні покриття відповідають композиційним дисперсійно-зміцненим матеріалам.

Одержання на поверхні металу зміцненого шару зі структурою типу евтектики призводить до появи нового матеріалу з певним комплексом фізико-механічних властивостей.

Таблиця 2.2.

Параметри процесу плазмового наплавлення

в захисній атмосфері аргону

Діаметр деталі, мм	Витрати робочого газу, м^3/с	Струм наплавлення, А	Частота обертан­ня деталі, хв^-1	Швидкість наплавлення, мм/об
плазмо-утворюючого	захисного
	1,6	0,7	35-40		2,5
	1,6	0,7			2,5
	1,6	0,7			2,5
	1,6	0,7	130-140		2,5-3,0
	1,6	0,7	160-220		2,5

Процес формування евтектичного покриття складається з наступ­них стадій:

– контактного евтектичного плавлення в системі метал-рідина;

– утворення розплаву на основі системи Fe – Mn – C – B;

– евтектичної взаємодії в системі Fe – Mn – C;

– евтектичної взаємодії в системі Fe – B – C;

– кристалізації розплаву.

Формування евтектичного покриття на сталі 45 можна подати наступним чином (рис.2.11). При нагріванні сталі та порошкового матеріалу в плазмовому потоці до ~ 1360°С порошковий матеріал розплавляється. При цьому, внаслідок дифузії вуглецю, відбувається контактне евтектичне оплавлення сталі 45 з утворенням рідкого прошарку. Внаслідок взаємодії розплавленої суміші з рідким прошарком на поверхні сталі утворюється розплав заданого фазою складу.

Рис. 2.11. Схема формування евтектичного покриття на сталі 45.

Дифузійний перерозподіл марганцю, бору та кремнію, а також інших легуючих елементів проходить у рідкій фазі. Залежно від вмісту заліза, марганцю, вуглецю та бору відбувається евтектична взаємодія Fe – Mn – C, або Fe – B – C. Процес формування евтектичного покриття закінчується внаслідок кристалізації рідкої фази при охолодженні.

Структура та властивості евтектичних покриттів регулюються концентрацією елементів порошкового матеріалу, їх співвідношенням при температурі утворення евтектики, а також технологічними параметрами процесу наплавлення. Щоб одержати покриття евтектичного складу, необхідно керувати факторами температури, часом ізотермічної витримки та концентрацією елементів у порошковій суміші, тоді як для отримання покриття із заевтектичним складом досить змінювати лише склад порошкового матеріалу.

Структура та фазовий склад визначають властивості покриття. Змінюючи їх, можна оптимізувати деякі властивості, наприклад, зносостійкість та жароміцність евтектичного шару, тобто, існує можливість створення багатофункціональних евтектичних покриттів.

2.1.6. Порошкові матеріали для наплавлення та вимоги до них

Хімічний склад та властивості наплавленого металу визначаються, в першу чергу, матеріалами, які наплавляють. До них відносять: електродний дріт (суцільного перерізу та порошковий); електродну стрічку та порошкові наплавлювальні сплави.

При наплавленні стальних деталей найширше використовують гарячокатаний та холоднотягнутий стальні наплавлювальні дроти, які постачають згідно з ГОСТ 16130-75. Відповідно йому передбачено виготовлення вуглецевого дроту дев’яти, легованого дроту одинадцяти та високолегованого дроту десяти марок.

Для наплавлення міді та її сплавів використовують зварювальний дріт, який постачають відповідно до ГОСТ 16130-72. Згідно з цим стандартом виготовляють дріт 17 марок.

Поверхня дроту повинна бути чистою, гладкою, світлою або оксидованою з кольорами мінливості, без окалини, іржі, надривів. Сліди змазки (без графіту, сірки і інших домішок) допускаються на поверхні дроту всіх марок, крім високолегованого.

У багатьох випадках для наплавлення високолегованих сталей застосовується порошковий дріт. Для отримання оболонки такого дроту використовується стрічка із низьковуглецевої сталі, нікелю, міді та інших м’яких металів. Осердя цього дроту складається із суміші дрібнопомелених феросплавів, металів, карбідів, боридів тощо. Кожен моток порошкового дроту повинен бути запакований в запаяну металеву банку, перев’язаний та обгорнутий водонепроникними папером і тканиною. Герметичність упаковки слід зберігати до моменту вико­ристання дроту.

Для наплавлення використовується також стальна холоднокатана, порошкова, лита та металокерамічна стрічки. Основні переваги стрічок — висока продуктивність наплавлювальних робіт та велика ширина наплавленого валика.

Широкого застосування для наплавлення зносостійких покриттів набули нові композиційні порошкові матеріали типу ФМІ на основі системи Fe – Mn – C – B.

Порошки простих речовин, як правило, металів (наприклад, алюмінію, титану, хрому, молібдену) в основному використовуються для наплавлення зносостійких та корозійностійких покриттів. Порошки нікелю та молібдену широко використовуються для створення прошарку, котрий забезпечує підвищену міцність зчеплення покриттів із основою.

Разом із порошками простих речовин використовуються і порошки сплавів на основі алюмінію, хрому, заліза, нікелю та ін. Хімічний склад та деякі властивості порошків сплавів системи Ni – Cr – B – Si наведені в таблиці 2.3.

Порошкові матеріали з високою температурою плавлення як правило використовуються у складі композицій сплавів, які складаються з легованої матриці або самофлюсованих та твердих армуючих зерен. Як матриця використовуються легкоплавкі метали або самофлюсуючі сплави типу СНГН або ПГ-СР. Вибір матриці зумовлений низькою температурою плавлення (Т» 1150-1250 °С), високими рідкотекучістю і зносостійкістю.

У процесі наплавлення тугоплавкі зерна рівномірно розподіляються в металевій матриці.

Існують композиційні сплави, що складаються з тугоплавких зерен, які покриті тонкою плівкою малолегованого сплаву. Використання таких порошків дозволяє більш рівномірно розподілити зерна в матриці покриття. Прикладом такого композиційного сплаву може слугувати подвійний борид титану-хрому, плакований нікелем, роз­роблений у ІПМ НАН України.

2.1.6.1. Технологічні характеристики порошкових матеріалів

У процесах плазмового наплавлення та напилення важливу роль в отриманні якісних покриттів відіграє рівномірна й оптимальна за масою і швидкістю подача порошку. При нерівномірній подачі по­рошкового матеріалу товщина утвореного шару не є постійною. При недостатній швидкості подачі порошок не попадає в зону високої температури, а при надто високій — може проходити через плазму, не­достатньо розплавляючись.

Одним із головних факторів, що впливають на рівномірність подачі порошку (його кількість за одиницю часу), є його сипучість. Після отримання порошків вимірюються їх технологічні характеристики, насипна маса та сипучість.

Сипучість порошків визначається в лабораторних умовах згідно з ГОСТ 20899-75. За показник сипучості приймається проходження визначеної маси порошку за секунду (г/с). Як результат випробувань приймається середнє арифметичне значення результатів п’яти дослідів. Показник сипучості дозволяє попередньо визначити витрату порошку та забезпечити рівномірне за масою та швидкістю його транспортування (подачу) в зону обробки (плазмовий струмінь).

Таблиця 2.3.

Хімічний склад та властивості порошків сплавів

системи Ni – Cr – B – Si

Марка порошку	ПГ-СР2	ПГ-СР3	ПГ-СР4	СНГН	ВСНГН
С	%мас	0.3-0.6	0.4-0.8	0.6-1.0	1.5-1.8	0.3-0.5
Cr	%мас	12-18	12-16	13-17	14-18	10.5-12.5
B	%мас	1.5-2.5	2-3	2.5-4	3-5	2.6-3.1
Si	%мас	1.5-3	2.4-4.5	3-5	3.5-4.5	2.3-3
Mn	%мас	–	–	–	–	До 0.3
Al	%мас	–		–	1.3
W	%мас	–	–	–	–	33-27
r×10^-9, кг/м^3	7.6-7.8	7.6-7.8	7.6-7.8	7.8-8.2	8.7	–
Тпл,°С	1050-1080	1050-1080	1050-1080	1020-1100	–	–
Твердість, HRC	45-48	48-55	58-62	50-58	60-63	–
aТ, °С^-1	14.5	14.5	14.5	14.5-14.8	–	–

Визначення насипної густини порошкових металевих матеріалів проводиться згідно з ГОСТ 19440-74. Дана характеристика має роз­мірність [г/см³].

2.1.6.2. Підготовка матеріалів до наплавлення

Процес нанесення зміцненого шару на робочу поверхню деталі складається з наступних операцій:

– підготовки порошкових наплавлювальних матеріалів;

– підготовки деталі до зміцнення;

– настроювання режиму;

– нанесення зміцнюючого шару;

– охолодження деталі;

– механічної обробка;

– контролю якості.

Перед наплавленням, особливо в осінньо-зимовий період і у разі зберігання порошкових матеріалів у вологих неопалюваних приміщеннях, порошки необхідно просушити при 150-200 °С протягом 30 хв. Товщина шару порошку має бути не більшою за 50 мм. Таким чином досягається усунення вологи, що спричиняє підвищення текучості порошків та покращення якості наплавленого шару.

У ємностях, в яких проводять просушування, не повинно відбуватись забруднення порошків. Доцільно проводити просушування в ємностях з нержавіючої сталі. Після просушування порошок необхідно просіяти на ситі з сіткою 100-125 мкм (сітка №01-125 згідно з ГОСТ 6613-73).

2.1.7. Підготовка деталі до наплавлення

Якість зміцненого шару, особливо міцність зчеплення з основою, залежить від підготовки зміцнюваної поверхні під наплавлення. Процес підготовки деталі складається з двох етапів:

– знежирювання деталі;

– підготовки робочої поверхні під наплавлення (зачищення від слідів корозії, окалини та інших забруднень).

Необхідним є також захист поверхонь, які не підлягають на­плавленню.

Загальне знежирювання можна виконувати такими методами:

– в киплячому розчині миючих засобів;

– в розчинниках;

– при високих температурах, які забезпечують розплавлення та згорання мастики (в печах, газовими пальниками тощо).

Для забезпечення надійного зчеплення покриття з деталлю необхідно після знежирення усунути із поверхні сліди корозії, можливу окалину та інші забруднення. Цього можна досягнути обробкою на токарному верстаті, струганням, фрезеруванням, шліфуванням тощо. На обробленій поверхні не повинно залишатись жодних слідів за­бруднень, має бути металевий блиск. При необхідності, завершити підготовку поверхні можна механічною, дробеструменевою, електроіскровою обробкою та хімічним травленням. Внаслідок швидкого окислення обробленої поверхні, допустима перерва перед наплавленням деталей повинна становити не більше 4 год.

Поверхні, які не підлягають наплавленню, мають бути захищені від попадання на них наплавлюваного сплаву. Їх захищають ізолюючими матеріалами або металевими екранами. По-можливості, слід використовувати гуму, пристрої з гумових деталей або гумові стрічки. Використовується також спеціальна клейка стрічка та водорозчинна маса, яка наноситься на захищувану поверхню.

2.1.8. Структура покриттів

Отримання на поверхні виробів покриттів з різними функціональними властивостями або комплексом властивостей, найчастіше є найбільш економічно обгрунтованим та єдиним можливим рішенням ряду технологічних проблем. Особливу увагу при цьому слід звертати на евтектичні покриття, оскільки вони, по суті, утворюють на поверхні металу новий конструкційний матеріал, котрий дає змогу реалізувати композиційне дисперсійне зміцнення з можливістю цілеспрямованого регулювання кількісного співвідношення твердих та пластичних фазових складових, а значить, керування будовою, фізико-механічними властивостями та експлуатаційними характеристиками в широких межах.

За останні роки у Фізико-механічному інституті ім. Г.В.Карпенка НАН України професором М.І.Пашечко створено нові порошкові матеріали евтектичного складу на основі системи Fe-Mn-C-B, нанесення яких на поверхню дозволяє отримувати в структурі покриття, в основному, карбіди та бориди металів (переважно заліза та марганцю). Наявність карбідів і боридів як зміцнюючих фаз у струк­турі покриттів зумовлює їх високу твердість, зносостійкість, корозійну стійкість та термічну стабільність.

Марганець виконує роль пластифікатора карбіду заліза Fe₃C. Оскільки покриття наносяться на стальні підкладки, то залізо є обов’язковим елементом порошків. Елементом, що визначає структуру заліза, є вуглець. Як активатор у даній системі присутній фтористий натрій.

Фазовий склад евтектичних покриттів, отриманих методом плазмового наплавлення в захисній атмосфері аргону, подано в таблиці 2.4.

Експериментальними дослідженнями було встановлено, що структура і фазовий склад евтектичних покриттів визначаються вмістом елементів у системі Fe – Mn – C – B – Si – Ni – Cr.

Структура покриття, отриманого з базового порошкового матеріалу системи Fe – Mn – C – B, складається із складнолегованого перліту (матрична фаза), метастабільного марганцовистого карбіду заліза Fe_0.4Mn_3.6C (армуюча фаза) та включень бориду заліза Fe₂B (дисперсна фаза). Збільшення вмісту заліза або марганцю спричиняє збагачення рідкої фази атомами заліза або марганцю, що сприяє формуванню в структурі покриття відповідно більшої кількості перліту або Fe_0.4Mn_3.6C. Структура покриття, отриманого з порошкового матеріалу ФМІ-9 на сталі 45, показана на рис.2.12.

Таблиця 2.4.

Фазовий склад порошкових матеріалів та евтектичних покриттів

Марка порошку	Система	Фазовий склад
ФМІ-9	Fe – Mn – C – B – Si	a-Fe; Fe0,4Mn3,6C; сліди Fe2B
ФМІ-15, ФМІ-40, ФМІ-45	Fe – Mn – C – B – Si – Ni	g-(Fe, Ni)+Fe0,4Mn3,6C; Fe3C; сліди Fe2B
ФМІ-13, ФМІ-43	Fe – Mn – C – B – Si – Cr	g-(Fe, Cr); Fe0,4Mn3,6C; Fe3C
ФМІ-40-1	Fe – Mn – C – B – Si – Ni – Te	g-(Fe, Ni)+Fe0,4Mn3,6C; Fe3C; сліди Fe2B
ФМІ-13-1, ФМІ-43-1	Fe – Mn – C – B – Si – Cr – Te	g-(Fe, Cr); a-(Fe, Cr) + Fe0,4Mn3,6C + Fe3C
ФМІ-14, ФМІ-16, ФМІ-44	Fe – Mn – C – B – Si – Ni – Cr	g-(Fe, Ni) +Fe0,4Mn3,6C+Fe3C
ФМІ-44-1	Fe – Mn – C – B – Si – Ni – Cr – Te	g-(Fe, Ni) +Fe0,4Mn3,6C+Fe3C

Легування евтектичного покриття телуром, який стабілізує цементит, у кількості 1 мас.% призводить до збільшення кількості і розмірів дендритів перліту в покриттях з доевтектичною структурою.

Збільшення в складі порошкових матеріалів вмісту марганцю до 44 %, а вуглецю – до 3 % (за масою) призводить до формування евтектичних покриттів типу аустеніт-карбід. Дендрити легованого марганцем аустеніту ростуть у напрямку [100].

Рис.2.12. Мікроструктура евтектичного покриття системи Fe – Mn – C – B – Si, отриманого методом плазмового наплавлення: А – доевтектична; Б – евтектична; В – заевтектична

Структура отриманих евтектичних покриттів з порошкових матеріалів, легованих нікелем (система Fe – Mn – C – B – Si – Ni), складається зі складнолегованого перліту, аустеніту і карбіду Fe_0.4Mn_3.6C. Глибина зони оплавлення на сталі 45 складає 0.2 мм, що є більше, ніж при наплавленні матеріалу системи Fe – Mn – C – B – Si. Більша глибина зони оплавлення порошкового матеріалу цієї системи пояснюється меншою його здатністю до карбідоутворення.

Легування порошкових сплавів системи Fe – Mn – C – B – Si – Ni телуром у кількості 1 мас.% спричиняє збільшення розмірів дендритів перліту до 6 мкм.

У покриттях, одержаних з порошкових евтектичних матеріалів, легованих хромом, основною фазою є a-(Fe,Cr). Виявлено також фази Fe_0.4Mn_3.6C та Cr₇C₃. Слід вказати, що структура і фазовий склад всіх покриттів на досліджуваних сталях визначаються структурою та фазовим складом часточок порошкового матеріалу.

2.1.9. Мікротвердість та твердість

Результати досліджень показують, що мікротвердість покриттів із евтетичних сплавів на сталі 45 є вищою за мікротвердість покриттів, отриманих методами електроіскрового легування, детонаційним або імпульсно-плазмовим напиленням матеріалів однакового хімічного складу (табл.2.5).

Разом з цим, використання методу плазмового наплавлення забезпечує високу міцність зчеплення (до 600 МПа) наплавленого шару зі зміцнюваним металом, що дозволяє використовувати його для роботи в різних умовах контактної взаємодії.

2.1.10. Переваги та недоліки методу

Метод плазмового наплавлення покриттів порівняно з іншими методами має наступні переваги:

Таблиця 2.5.

Мікротвердість і твердість евтектичних покриттів,

нанесених плазмовим наплавленням

Марка порошкового матеріалу	Марка сталі	Н20, ГПа	Н100, ГПа	Товщина, мм	Твер-дість, HRC
Е	П	О	Е	П	О	Е шар	П	Н
ФМІ-9	У8	5,2-7,1 – –	3,9 – –	1,8-2,2 – –	6,0-7,3 5,9-7,2 6,0-7,5	4,6 4,4 4,9	1,8-2,9 1,7-2,0 2,7-3,2			2,5 2,5 2,5	– – –
ФМІ-13		2,2-4,4	2,2	1,8-2,2	4,2-7,8	4,6	1,7-2,9
ФМІ-14	У8	– –	– –	– –	3,8-5,8 3,9-6,2	– –	1,9-2,7 1,5-2,0		– –		–
ФМІ-15		2,9-6,0	–	2,0-2,4	3,6-5,4	–	1,7-2,4		–
ФМІ-16		–	–	–	3,5-5,0	–	1,8-2,3		–
ФМІ-40		1,2-1,9	–	1,3-2,6	2,5-3,3	–	1,8-2,5		–	–	–
ФМІ-43		2,9-6,0	2,5	1,8-2,2	4,6-6,0	3,1	1,7-2,2				–
ФМІ-44		–	–	–	3,6-6,0	2,6	1,7-2,3				–
Примітка: Е – евтектика, П – перехідна зона, О – основа, Е шар – евтектичний шар, Н – навуглецьована зона.

1. Можливість отримання покриттів з більшості матеріалів, в тому числі й таких, що мають високу (~3000°С) температуру плавлення та слабосамофлюсуючих.

2. Можливість отримання покриттів із підвищеною міцністю зплавлення (зчеплення) (до 600 МПа) та щільністю (пористістю до 0.5¸1 %) завдяки дифузійній взаємодії елементів із зміцнюваною поверхнею з утворенням рідкої фази.

3. Можливість нанесення міцнозчеплених покриттів на стальні, чавунні та інші вироби без струминно-абразивної обробки поверхні.

4. Достатньо висока продуктивність процесу (до 10¸20 кг/год) при значному (~ 95 %) використанні матеріалу.

5. Легкість автоматизації, простота обслуговування, невисока вартість та мобільність обладнання.

Основні недоліки методу плазмового наплавлення покриттів:

1. Технологічні обмеження на обробку деталей складної конфігурації внаслідок неможливості підведення плазмотрона в зону наплавлення.

2. Неможливість обробки тонколистових матеріалів (< 1 мм).

Деякі обмеження, які обумовлені неможливістю підводу плазмотрона великого діаметру до краю зони наплавлення, усунуто шляхом використання розробленого плазмотрона товщиною 12 мм, довжиною й шириною 70 мм.

2.1.11. Застосування плазмового наплавлення

Наявність вищеперерахованих переваг дозволяє використо­вувати даний метод замість електродугового та електрошлакового методів наплавлення захисних та зміцнюючих покриттів. Установки для плазмового наплавлення можна використовувати для наплавлення тіл обертання та плоских деталей:

– деталей машин та механізмів;

– листопрокатних та сортопрокатних валків з неглибокими калібрами;

– валків обтисних станів;

– кранових коліс;

– гальмівних шківів;

– роликів рольгангів прокатних станів;

– листоправильних машин;

– малих конусів та клапанів доменних печей;

– плунжерів гідросистем;

– ножів для різання гарячого та холодного металу та інших деталей, що піддаються значному зношуванню та корозії в процесі експлуатації;

– робочих органів сільськогосподарських машин;

– робочих поверхонь підшипників ковзання та ін.

За допомогою плазмового наплавлення можна створювати біметалеві вироби, у яких високі поверхнева твердість та міцність поєднуються із високою пластичністю основного металу.

Дата добавления: 2015-07-18