Плазменная наплавка

Наплавка под слоем флюса

Наплавка металла — это нанесение металла на поверхность детали с помощью сварки.

По техническим признакам различают следующие виды наплавки:

• по степени механизации процесса — ручная, механизированная, автоматизированная, автоматическая;
• по способу защиты металла в зоне сварки — под слоем флюса, под расплавленной обмазкой электрода в вакууме и в защитном газе;
• по характеру протекания процесса — непрерывные и прерывные.

Сущность наплавки под слоем флюса состоит в том, что сварочная дуга, возникающая между электродом и изделием, защищается от окисления кислородом воздуха слоем расплавленного гранулированного флюса толщиной 20—40 мм. Флюс, поступающий в зону сварочной дуги, плавится под действием выделяемого ею тепла.

Принципиальная схема полуавтоматической электродуговой наплавки деталей под слоем флюса показана на рис. 17.

Сварочный ток от источника тока по проводам подводится к контактам, касающимся сварочной проволоки и медной шины, расположенной на патроне.

Для наплавки деталей под слоем флюса выпускаются наплавочные головки различных конструкций: ПШ-5, ПШ-54, ПДШ-500, ПДШМ-500, АБС, А-409, А-580, ПАУ-1, ОСК-1252М. Наплавочная головка устанавливается на суппорт токарно-винторезного станка и перемещается при наплавке деталей с помощью ходового винта токарно-винторезного станка.

Рис. 17. Схема установки для полуавтоматической электродуговой наплавки деталей под слоем флюса:

1 — патрон токарно-винторезного станка; 2 — восстанавливаемая деталь; 3 — слой шлака; 4 — наплавленный металл; 5 — флюс; 6 — электродная проволока; 7 — контакт провода от источника тока с электродной проволокой; 8 — наплавочная головка; 9 — бункер с флюсом; 10 — контакт провода от источника тока с медной шиной патрона (деталью); е — смещение электрода относительно вертикальной оси детали (эксцентриситет электрода)

Твердость наплавленного слоя порошковыми проволоками достигает HRC 52—56.

Режимы наплавки цилиндрических поверхностей при постоянном токе обратной полярности представлены в табл. 4.

4. Параметры наплавки цилиндрических поверхностей электродной проволокой диаметром 1,2—2,5 мм с вылетом 20—30 мм

Диаметр детали, мм	Напряжение, в	Сила тока, А	Скорость подачи проволоки, м/ч
50—60	30—36	120—160	75
65—75	30—36	150—220	85
80—100	30—36	200—280	105
150—200	30—36	250—350	140

Преимущества восстановления деталей наплавкой под слоем флюса следующие: производительность автоматической наплавки под слоем флюса выше в 3—5 раз по сравнению с ручной сваркой; высокое качество наплавленного металла и высокая его износостойкость; для выполнения работ не требуется высокой квалификации наплавщика.

К недостаткам наплавки деталей под слоем флюса относятся большая зона термического влияния, значительный нагрев деталей малых размеров, снижение усталостной прочности деталей на 20—40 %.

Достоинства осевого ввода порошка

Осевой ввод порошка — это качественный скачок в технике плазменного напыления. Дело тут не только в том, что при осевом вводе значительно уменьшаются потери порошка, но и в том, что открываются возможности напыления совсем других порошковых материалов, непригодных для радиального ввода. Так как этот аспект является принципиально важным для понимания следующих разделов, остановимся на нем подробнее.

Итак, что же происходит при радиальном вводе порошка в струю пламени на выходе из сопла? Перечислим недостатки такого ввода:

1. Для радиального ввода пригодны только очень узкофракционные порошки, для которых необходимо точно подбирать давление несущего газа. Что это значит?: При недостаточном давлении несущего газа частицы порошка будут «отскакивать» от струи пламени, при слишком высоком давлении несущего газа они будут «простреливать» это пламя насквозь; если же порошок состоит из частиц разного размера, то подобрать «правильное» давление несущего газа в принципе невозможно: самые мелкие частицы будут всегда «отскакивать», а самые крупные — всегда «простреливать», то есть, ни тех ни других частиц в напыляемом покрытии не будет, а будут только какие-то «средние» частицы. Особенно трудно вводятся мелкозернистые порошки из-за их повышенного рассеяния несущим газом (типичное облако пыли вокруг факела).
2. При радиальном вводе порошка нельзя использовать в порошковой смеси не только частицы разных размеров, но и разных плотностей (разных масс) по той же причине: более тяжелые частицы пролетают сквозь пламя легче более легких. Таким образом, попытка использования сложных порошковых смесей приведет к искажению состава покрытия по сравнению с составом порошковой смеси.
3. Увеличение скорости плазмообразующих газов усложняет радиальный ввод порошка, так как дополнительно сужаются интервалы необходимых давлений несущего газа и распределения частиц по размерам. На практике это означает следующее: чем выше скорость пламени, тем меньше КПД напыления при радиальном вводе порошка. Ввести же весь порошок в пламя без потерь невозможно ни при каких обстоятельствах.
4. Расположение порошковых дюз рядом с горячей зоной пламени вызывает их разогрев, компенсирующийся только охлаждением газом, несущим порошок. Если же скорости охлаждающего газа недостаточно для охлаждения, то частицы порошка могут налипать на края отверстия дюз, образуя натеки. Налипшие куски периодически отрываются от дюзы, попадают в пламя и вызывают характерный дефект — «плевание», приводящий к образованию грубых пористых включений в покрытии. Так как скорость истечения несущего газа строго связана с параметрами пламени (см. пункт 1), то возникает проблема: для некоторых порошков просто не существует параметров, убирающих эффект «плевания», особенно если эти порошки легкоплавкие и/или мелкозернистые.

Переход на осевое введение порошка позволяет полностью избавиться от вышеперечисленных проблем:

1. Давление и скорость несущего газа больше не привязаны к параметрам пламени и порошка. Единственное условие, — давление несущего газа должно быть несколько выше давления плазмообразующего газа в сопле в месте ввода порошка. За счет осевого ввода, любой порошок полностью захватывается пламенем.
2. Всегда можно подобрать такое давление несущего газа, при котором «плевания», связанного с налипанием порошка на край отверстия порошковой дюзы происходить не будет.
3. Возможно использование порошковых смесей любой сложности и фракционного состава. Частицы разных размеров будут приобретать различные скорости и температуры, но все, в итоге, примут участие в образовании покрытия. То, что мелкие частицы при осевом вводе в пламя плазмы становятся значительно горячее крупных, открывает новые возможности для дизайна порошковых смесей. Созданию таких полифракционных композиций посвящена основная часть этой книги.

Автору очень повезло, что в его распоряжении в течение многих лет находился плазматрон Axial III с осевым вводом порошка. Если бы не это, то создание новых многокомпонентных покрытий было бы просто невозможно.

Сварка

В авторемонтном производстве для восстановления деталей применяются сварка и наплавка. Этими способами восстанавливаются более 40 % деталей.

Сварка — процесс получения неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном или общем нагреве, пластическом их деформировании или совместном действии того и другого.

Электрическая сварочная дуга — это мощный длительный электрический разряд между электродами под действием напряжения постоянного или переменного тока.

На рис. 16 схематически изображен электродуговой разряд между электродом и деталью под действием постоянного электрического тока напряжением 36 В.

Отрицательный электрод называется катодом (—), а положительный электрод — анодом (+). Дуговой разряд состоит из катодной области, столба дуги и анодной области. Газ столба дуги ослепительно ярко светится, поэтому глаза сварщика должны быть защищены маской с темными стеклами. Температура столба дуги достигает 6000… 8000 °С, а электропроводность приближается к электропроводности металлов. Основаниями столба служат резко ограниченные зоны на поверхности электродов — электродные пятна.

Ручная электродуговая сварка является распространенным способом восстановления поврежденных деталей, так как этим способом можно вести сварку в труднодоступных местах. Недостатками ее являются низкая производительность и зависимость качества работы от квалификации сварщика.

Для сварки автомобильных деталей наибольшее распространение получили электроды УОНИ-13/45, УОНИ-13/55 и др. Сварка электродами УОНИ-13/45 ведется на постоянном токе при обратной полярности («положительный» зажим источника тока присоединен к электроду).

Рис. 16. Схема электродугового разряда между электродом и деталью:

1 — электрод; 2 — катодная область (расплавленная часть электрода); 3 — электродуговой разряд (сварочная дуга); 4 — анодная область (расплавленный металл); 5 — деталь

Сварка деталей из алюминиевых сплавов производится на постоянном токе при обратной полярности электродами ОЗА-2 аргонно-дуговым способом. Детали, соединенные аргонно-дуговой сваркой, обладают большой прочностью.

Источником сварочного тока при сварке являются сварочные генераторы постоянного тока. На выходном щитке генератора имеются клеммы плюс (+) и минус (—).

Важное значение имеет порядок подсоединения проводов, идущих от источника тока до детали и электрода. Если зажим «минус» (—) сварочного генератора присоединяется к электроду, то полярность считается прямой, а если он соединяется с деталью, то полярность считается обратной

Если зажим «минус» (—) сварочного генератора присоединяется к электроду, то полярность считается прямой, а если он соединяется с деталью, то полярность считается обратной.

При прямой полярности больше разогревается и плавится деталь и меньше электрод. Обратная полярность применяется при наплавке деталей (так как надо сильнее разогреть и расплавить электрод), при сварке чугуна холодным способом (для уменьшения нагрева детали), при сварке и наплавке деталей, изготовленных из сплава алюминия.

Что называют механизированной наплавкой

В общем случае это процесс нанесения специального слоя на изношенную поверхность, который, затвердев, не только восстановит начальную форму детали, но и станет своего рода защитным покрытием. Весь смысл (и главная особенность) здесь в том, как осуществляется данный вид работ, а реализовать его можно одним из двух вариантов:

• • автоматически – как подача электродного материала, так и его перемещение (и заготовки тоже) в пространстве выполняется оборудованием; многие установки обеспечивают еще и поперечные колебания направляемого стержня, что позволяет уменьшить количество проходов;
• • полуавтоматически – механическим путем выполняется только доставка проволоки (или другой присадки) в рабочую зону, по шлангу, после чего сварщик самостоятельно перемещает держатель с нею относительно заготовки.

У каждого есть свои особенности. Так, в первом случае может не хватить гибкости при позиционировании, во втором многое зависит от мастерства человека, решающего задачу. Хотя производительность труда в обеих ситуациях значительно выше, чем при любом из ручных методов (у них другие достоинства). Качество и равномерность покрытия, обычно, тоже лучше, что и обуславливает широту применения, особенно серийного.

Чем отличается оборудование плазменной сварки от оборудования плазменной резки

Устройства, предназначенные для проведения сварки, производятся преимущественно в универсальном формате, позволяющем проводить сварку в различных направлениях и плоскостях. Например, зона работы сосредоточена на потолке или вертикальной стене и т. д. Сварочные аппараты, основанные на плазменных методах, работают по принципу плавления кромок деталей с последующим их соединением.

Оборудование плазменной сварки можно классифицировать по нескольким параметрам:

1. По типу воздействия — прямое и косвенное.
2. По методам стабилизации дуги — посредством газа, воды или магнитного поля.
3. По силе тока — для микроплазменной сварки, на средних и высоких токах.

Устройства резки в свою очередь делятся на:

• Трансформаторные и инверторные.
• Водно-плазменные и воздушно-плазменные.
• Контактные и бесконтактные.

Основное отличие работы устройств сварки от устройств резки в следующем:

• Сварка проводит одновременно разрезание заготовок и заваривание мест разреза.
• Резка расплавляет металл в месте, подверженном обработке, и затем выдувает с помощь фракции разжиженный материал.

Для цилиндрических поверхностей

Кроме перечисленных выше, используют еще одну популярную технологию наплавки при использовании электродов – в защищенной газовой среде. Принцип обработки не отличается сложностью. На самом деле она в другом – приобретении баллона, заправленного специальной газовой смесью: аргоновой, гелиевой, любой другой в зависимости от типа присадочного материала, использующегося при наплавке. Такой вариант лучше всего подходит для небольшой домашней мастерской.

Хотя покупка газового баллона для работы с металлами в домашних условиях вряд ли окажется целесообразной. Своими руками проще выполнить наплавку при помощи электродов так, как мы рассмотрели в статье.

Хочется надеяться, что здесь вы нашли все ответы на интересующие вопросы, разобрались с понятием технологического процесса и уточнили для себя, как правильно проводить наплавку в домашних условиях.

Технология плазменно-дуговой наплавки

Процесс наплавки довольно прост и может с успехом выполняться любым опытным сварщиком. Однако он требует от исполнителя максимальной концентрации и внимания. В противном случае можно запросто испортить заготовку.

Для ионизации рабочего газа используется мощный дуговой разряд. Отрыв отрицательных электронов от положительно заряженных атомов осуществляется за счет теплового воздействия электрической дуги на струю рабочей газовой смеси. Однако при соблюдении ряда условий возможно протекание не только под влиянием тепловой ионизации, но и за счет воздействия мощного электрического поля.

Газ подается под давлением 20-25 атмосфер. Для его ионизации необходимо напряжение 120-160 вольт с силой тока порядка 500 ампер. Положительно заряженные ионы захватываются магнитным полем и устремляются к катоду. Скорость и кинетическая энергия элементарных частиц настолько велика, что при соударении с металлом они способны сообщать ему огромную температуру – от +10…+18 000 градусов по Цельсию. При этом ионы движутся со скоростью до 15 километров в секунду (!). Установка плазменной наплавки оборудована специальным устройством под названием «плазмотрон». Именно этот узел отвечает за ионизацию газа и получение направленного потока элементарных частиц.

Мощность дуги должна быть такой, чтобы исключить оплавление основного материала. В то же время температура изделия должна быть максимально высокой, чтобы активизировать диффузионные процессы. Таким образом, температура должна приближаться к линии ликвидус на диаграмме железо-цементит.

Мелкодисперсный порошок специального состава или электродная проволока подается в струю высокотемпературной плазмы, в которой материл расплавляется. В жидком состоянии наплавка попадает на упрочняемую поверхность.

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;
• возможность наплавки тонких слоев;
• высокая культура производства.

Хромирование

Схема электролитического восстановления деталей хромированием показана на рис. 23.

При хромировании деталь является катодом, а в качестве анодов применяются нерастворимые свинцовые пластины (полукольца).

В авторемонтном производстве для хромирования применяются ванны с универсальным электролитом.

В состав универсального электролита для хромирования входят хромовый ангидрид Cr2О3 (250 г/л) и серная кислота H2SO4 (2,5 г/л).

Рис. 23. Схема электролитического восстановления деталей хромированием:

1 — электрическая шина катода; 2 — наружная стенка ванны; 3 — вода для подогрева электролита в ванне; 4 — внутренняя стенка ванны; 5 — катод ; 6 — электролит; 7 — электроподогреватель; 8 — анод ; 9 — подвеска детали; 10 — электрическая шина анода (+); 22 — крышка ванны

Соотношение 250:2,5, равное 100, обеспечивает постоянство концентрации ионов. Это соотношение поддерживается автоматически при введении в электролиты вместо серной кислоты сернокислого стронция SrSO4 и кремнефтористого калия K2SiF6 в количестве, превышающем их растворимость. Такой электролит называется саморегулирующим, так как автоматически поддерживается постоянство концентрации ионов SO^2-^4 и SiF^2-^6.

Хромированием восстанавливается большое число разнообразных, особенно малогабаритных, деталей с небольшим износом, клапаны и толкатели, шкворни, шейки валов под подшипники и т. д.

Технологический процесс восстановления деталей хромированием включает следующие операции:

• механическую обработку поверхности детали до получения необходимой геометрической формы;
• промывку деталей в органических растворителях (бензине, трихлорэтане и др.);
• монтаж детали на подвеску таким образом, чтобы детали прочно удерживались на ней и одинаково находились от поверхности анода;
• электролитическое обезжиривание в растворе следующего состава: едкий натр NaOH—30—50 г/л; кальцинированная сода Na2CO3 — 25—30 г/л; жидкое стекло Na2SiO3—10—20 г/л; температура электролита 60…70 °С; плотность электрического тока 5—6*102 А/см2; время выдержки на катоде 2—3 мин, на аноде — 1—2 мин;
• промывку в горячей воде (60…80°С);
• промывку в холодной воде;
• загрузку деталей в ванну для хромирования.

Общий вид установки для электролитического осаждения металла представлен на рис. 24.

Рис. 24. Установка для электролитического осаждения металлов ОГ-1349А:

1, 2 — ванны с электролитом; 3 — реостат; 4 — пульт управления; 5, 13 — пакетный переключатель изменения полярности; 6, 12 — включатели электроподогрева ванн; 7, 11 — амперметры; 8 — переключатель амперметра с 200 на 20 А; 9 — пакетный включатель установки в цепь электрического тока от выпрямителя; 10 —вольтметр; 14 — включатели магазина сопротивлений; 15 — стол установки

Декапирование — снятие с детали тончайшей окисной пленки в течение 30—90 с при плотности тока (2,5—4,0) 102 А/см2 путем пропускания тока в обратном направлении процессу осаждения хрома.

Хромирование деталей производится согласно выбранному режиму. Твердость хромовых осадков зависит от плотности тока и температуры электролита. Для определения плотности тока и температуры электролита пользуются графиком, представленным на рис. 25. В соответствии с графиком задаются твердостью, видом осадка (серый, блестящий или молочный) и определяют плотность тока и температуру электролита.

Рис. 25. Диаграмма зависимости расположения зон различных хромовых осадков от температуры электролита в ванне и плотности тока:

1 — кривые, ограничивающие зону образования блестящих осадков в ванне с универсальным электролитом; 2 — кривая, ограничивающая зону образования блестящих осадков в ванне с саморегулирующимся электролитом; 3 — зона образования износостойких осадков (цифры в кружочках показывают микротвердость осажденного хромового покрытия)

По плотности тока определяется его сила, необходимая для электролиза. Она устанавливается с помощью реостатов гальванической установки, показанной на рис. 24, и контролируется по показаниям амперметра. Температура достигается путем включения электрического подогревателя ванны. Величина хромового осадка зависит от времени осаждения хрома.

После окончания хромирования детали извлекаются из ванны, промываются в проточной воде, демонтируются с подвесок и подвергаются термической и механической обработкам.

Приварка стальной ленты

В авторемонтном производстве получило распространение восстановление валов электроконтактной приваркой стальной ленты (пластинирование валов).

Сущность этого способа заключается в том, что к наружной поверхности вала импульсами тока приваривается стальная лента.

Приварка стальной ленты происходит в месте контакта электродов. При пропускании импульсов тока стальная лента и поверхность металла детали в месте контакта электродов плавятся. Кроме того, соединение стальной ленты с поверхностью вала происходит за счет сжатия расплавленных и нагретых участков металла сварочными электродными роликами. Приварка длится 0,02—0,04 с и производится стальной лентой по винтовой линии, как показано на рис. 21, а пластин — по периметру.

Для охлаждения мест приварки стальной ленты (пластин) к деталям в зону сварки подается электролит.

Основными достоинствами пластинирования валов электроконтактной приваркой стальной лентой по сравнению с другими способами наплавки являются незначительный нагрев деталей, что исключает их перегрев и коробление, и получение требуемой твердости путем подбора стальной ленты.

Рис. 21. Схема приварки стальной ленты к поверхности вала:

1 — трансформатор; 2 — контакт, подводящий электрический ток к детали; 3 — восстанавливаемая деталь (вал); 4 — контакт подвода электрического тока к электродному ролику; 5 — электродный ролик; 6 — стальная лента; 7 — барабан с бухтой стальной ленты; Q — направление силы, прижимающей электрический контакт; Р — направление силы, прижимающей ролик

Плазменная наплавка

Для повышения износостойкости новых деталей и для восстановления старых изделий, применяется плазменная наплавка, которая обеспечивает требуемую твердость и заданный химический состав наплавленного металла. Принцип плазменной наплавки металла основан на расплавлении присадки электродугой высокой плотности. На поверхности обрабатываемой детали образуется диффузионный слой, прочно удерживающий защитную пленку, обладающую специфическими свойствами. Слои, наплавленные порошками твердых сплавов, характеризуются высокой износостойкостью.

плазменная наплавка — сам процесс

Универсальное оборудование ЦЗПУ позволяет выполнять наплавку на деталях разной формы. Плазменная наплавка обеспечивает высокую работоспособность деталей за счет отличного качества наплавленного металла, его однородности, а также благоприятной структуры, определяемой специфическими условиями кристаллизации металла.

При наплавке по слою порошка присадкой служит крупнозернистый порошок требуемого состава. Центр защитных покрытий — Урал, для плазменной наплавки применяет порошки на основе кобальта, никеля или железа. Присадки кремния и бора снижают температуру плавления сплава, что позволяет получить более тонкий слой металла наплавки при малой (меньше 10 %) степени проплавления основного металла. В то же время примеси кремния и бора повышают твердость и износостойкость металла наплавки.

плазменная наплавка — деталь остывает

Такие сплавы жаростойки до температуры 950 °С, сохраняют высокую твердость при нагреве до 750 °С и обладают хорошей коррозионной стойкостью в растворах KCl, NH4Cl, NaOH, 10 %-ной серной кислоте и других средах. Рабочие поверхности изделий после обработки становятся износоустойчивыми, жаропрочными, кислотоупорными.

Плазменная наплавка достоинства:

• геометрические параметры и форма детали значения не имеют, результативность обработки стандартная
• высокая концентрация тепловой мощности и минимальная ширина зоны термического влияния.
• метод применим для многих материалов, включая тугоплавкие
• при небольшой глубине расплавления (от 300 микрон до 2,5 мм) формируется незначительная зона термического влияния, риск образования внутренних дефектов минимальный
• можно наносить наплавку в несколько слоев, до 6,5 мм толщиной с припуском от 400 до 900 микрон
• за счет большой скорости разогрева обрабатываемый металл не успевает прогреться на большую глубину, структурная зернистость не изменяется, удается избежать коробления, деформации деталей
• защитные покрытия можно наносить на тонкие поверхности, минимальная толщина плазменного напыления не более 200 микрон
• плазменно порошковая наплавка эффективнее электродуговой наплавки в разы
• поток плазмы регулируется с большой точностью

плазменная наплавка — сама деталь

Плазменная наплавка с применением присадочных материалов в виде порошковых сплавов обеспечивает высокое качество наплавленного металла. Так, порошки ПГ-У30Х28Н4С4 и ЛП3 предназначены для наплавки деталей, работающих в условиях абразивного износа. Наплавленный порошком ЛП8 металл по химическому составу соответствует кобальтовому стеллиту. 

Плазменная наплавка при наплавке сплавов на основе кобальта с добавками хрома (21…32 %), вольфрама (4…17 %), кремния, углерода, железа, марганца, никеля обеспечивается твердость наплавленного слоя HRC 32…52, на основе никеля HRC 34…54, на основе железа – HRC 55…63.