Бездуговые способы наплавки

1. Электрошлаковая наплавка

В отличие от других способов при электрошлаковой наплавке присадочный материал расплавляется за счет непосредственного перехода электрической энергии в тепловую, что имеет место при прохождении электрода через ванну расплавленного электропроводного флюса. При этом обеспечиваются меньшие тепловые потери и почти вдвое снижается расход электроэнергии.

Наплавляемая деталь 7 (рис. 17) устанавливаются во вращатель. К ней подводится водоохладительный медный кристаллизатор (ползун) 3, который в процессе наплавки формирует слой.

Между кристаллизатором и деталью засыпается флюс 2 и подается электрод 1. В начальный момент между электродом и технологической планкой возбуждается электрическая дуга, которая расплавляет флюс. В результате образуется электропроводная шлаковая ванна 4, которая шунтирует и гасит дугу.

Температура шлаковой ванны превышает (более 1700 °С) температуру плавления электрода. Металл электрода плавится и под действием силы тяжести оседает вниз, образуя ванну 5 расплавленного металла. Благодаря кристаллизатору 3 металл охлаждается и образуется наплавленный слой 6.

Перемешивание металла в сварочной ванне незначительное. В ней содержится до 80…90 % присадочного металла, что дает возможность получать наплавленный слой с заданными свойствами. Практически полностью отсутствуют потери на угар и разбрызгивание.

Рис. 17. Схема электрошлаковой наплавки: 1 – электрод; 2 – флюс; 3 – кристаллизатор; 4 – шлаковая ванна; 5 – ванна расплавленного металла; 6 – наплавленный слой; 7 – деталь

Электрошлаковая наплавка эффективна при восстановлении деталей со значительными износами, так как можно получать толщину наплавленного слоя от 4…6 мм до сотен миллиметров. Расход флюса не превышает 5 % к массе наплавленного металла, что в 15…30 раз ниже, чем при наплавке под слоем флюса.

В табл. 17 приведены сравнительные характеристики различных способов наплавки.

Установка для электрошлаковой наплавки включает: устройство, формирующее наплавленный металл и автоматически регулирующее уровень ванны жидкого металла, механизмы подачи электрода и вращения детали. Источниками питания являются специальные трансформаторы при сварочном токе более 1000 А и напряжении 30…45 В.

Таблица 17. Сравнительные характеристики различных способов наплавки

Флюсы помимо защитных свойств должны иметь высокую температуру кипения и электропроводность в жидком состоянии, а также минимальное газообразование. При электрошлаковой наплавке используют специальные флюсы АН-8, АН-22 и АН-348А.

В качестве присадочного материала при наплавке используют сварочные проволоки и ленты. Физико-механические свойства наплавленного металла зависят от химического состава электродов. Возможно дополнительное легирование металла введением различных порошков в сварочную ванну.

Режимы наплавки выбирают с учетом устойчивости процесса, размеров, формы детали и качества наплавленного металла.

В зависимости от требуемой толщины и ширины наплавленного шва выбирают диаметр и количество электродов. Диаметр обычно принимают равным 3 мм, толщину наплавленного металла – 20…30 и ширину шва – 60 мм. Если требуются большие значения для наплавленного слоя применяют перемещение электрода по ванне со скоростью 30…40 м/ч и многоэлектродный процесс.

Силу сварочного тока I и напряжение устанавливают по количеству теплоты, необходимой для расплавления соответствующего объема металла с учетом потерь.

Сила сварочного тока можно определить по формуле

I = A + B s,

где I – сила тока, А;

А и В – эмпирические коэффициенты (А = 220…280, В = 3,2…4,0);

s – толщина наплавленного металла, мм.

Скорость подачи электрода рассчитывают по формуле

v_э = I / C, где v_э – скорость подачи электрода, м/ч;

С – эмпирический коэффициент (С = 1,6…2,7 А∙ч/м).

Глубина шлаковой ванны существенно влияет на процесс. При недостаточной глубине нарушается устойчивость процесса, шлак кипит и разбрызгивется. Чрезмерная глубина шлаковой ванны уменьшает проплавление основного металла детали. Оптимальной является глубина 40…60 мм. Сухой вылет электрода составляет 100…500 мм.

Электрошлаковой наплавкой восстанавливают массивные сильно изношенные детали: опорные катки ходовой части тракторов, износ которых достигает 30 мм на диаметр, а потеря массы металла – до 6 кг; ходовые и грузовые ролики спекательных тележек агломерационных машин. Наплавку производят на установке ОКС-7755 при силе тока 850…900 А и напряжении 34 В. Скорость подачи электрода 210 м/ч, глубина шлаковой ванны 80 мм, а сухой вылет электрода диаметром 3,0 мм составляет 150 мм. Продолжительность наплавки одной детали 7…10 мин, или 35…40 катков за смену. Присадочный материал проволока Св-08 и флюс АН-8. Благодаря введению в шлаковую ванну легирующих элементов удается получить твердость наплавленного металла HRC 40…50, что повышает износостойкость обода восстановленного катка в 1,3…1,4 раза по сравнению с серийными.

Принудительное формирование слоя позволяет уменьшить припуски на механическую обработку, снижается вероятность образования пор, шлаковых включений и горячих трещин. К недостаткам способа относятся: понижение пластичности высоколегированных износостойких сплавов, невозможность получения наплавленных слоев толщиной менее 10 мм.

2. Индукционная наплавка

На поверхность детали наносят специальную шихту, состоящую из металлического порошка различного состава и флюсов. Деталь помещают в поле индуктора высокочастотной установки. Ток высокой частоты, проходящий через индуктор 1 (рис. 18), наводит в поверхностном слое детали вихревые токи, вследствие чего деталь нагревается. Шихта между индуктором и нагреваемой поверхностью детали 4 нагревается благодаря теплопередаче от поверхности нагреваемой детали. Флюс расплавляется и взаимодействует с оксидными пленками на поверхности частиц порошка и детали 4. При этом образуются шлаки, которые всплывают на поверхность жидкого сплава 6. После прекращения нагрева формируется наплавленный слой и начинается кристаллизация металла, сопровождаемая активными диффузионными процессами. Температура плавления шихты должна быть на 100…150 °С ниже температуры плавления металла, а скорость нагрева поверхности детали – выше скорости теплоотвода в глубину детали.

Флюсы должны соответствовать следующим требованиям: температура плавления флюса должна быть ниже температуры плавления металла шихты, для надежного удаления оксидных пленок до начала плавления металла; шлак, образующийся при наплавке, должен иметь как можно меньшую плотность и вязкость, что обеспечит его хорошее удаление из сварочной ванны; флюс не должен ухудшать свойства наплавленного металла, образовывать и выделять токсичные вещества, сепарироваться при транспортировке и хранении.

Для индукционной наплавки используют порошки твердых сплавов, обеспечивающие высокие эксплуатационные характеристики наплавленных деталей. К ним относятся: высоколегированные чугуны У30Х28Н4С4 (сормайт № 1), У45Х35ГЗР2С (ФБХ-6-2), У35Х2Н5 (нихард), Ж4НДХ-15-7-2 (нирезист);

сплавы на основе кобальта, вольфрама и никеля – стеллиты В2Ки В3К; композитные материалы (псевдосплавы) на основе карбидов вольфрама (релиты) и хрома (табл. 18).

Рис. 18. Схема способа индукционной наплавки порошкообразной шихтой: начало (а) и окончание процесса (б); 1 – индуктор ТВЧ; 2 – частицы наплавляемого сплава; 3– частицы флюса; 4 – деталь; 5 – слой жидкого флюса; 6– жидкий присадочный сплав При индукционной наплавке применяют флюсы, содержащие 43…62 % борной кислоты, 30…42 % кристаллической буры и 5…15 % силикокальция. В зависимости от толщины наплавленного слоя в шихте должно содержаться 10…16 % флюса.

Таблица 18. Характеристика псевдосплавов для индукционной наплавки

Технологический процесс наплавки осуществляют в следующей последовательности. Деталь очищают от масла, продуктов коррозии и других загрязнений. На восстанавливаемую поверхность наносят слой шихты, после чего поверхность помещают в индуктор и нагревают до расплавления шихты. Затем нагрев прекращают и наплавленный металл кристаллизуется.

В зависимости от формы, габаритов детали и мощности генератора ТВЧ применяют следующие способы наплавки:

• одновременную – наплавляемая поверхность полностью вводится в поле индуктора;
• последовательную – наплавляют поочередно несколько участков поверхности;
• непрерывно-последовательную – наплавляемая поверхность перемещается в поле индуктора;
• центробежную – наплавляют внутреннюю поверхность тел вращения. Мощность высокочастотной установки, кВт, необходимую для наплавки.

определяют по формуле

Р = 2500 (К m_o + m_н) / τ _н η ,

где К – коэффициент, учитывающий теплопередачу в тело детали (К = 1,1…1,2);

m_o и m_н – массы нагреваемого основного металла в зоне наплавки и наплавляемой шихты, кг;

τ _н  – продолжительность нагрева, с;

η – КПД нагрева.

Если требующаяся мощность больше мощности установки ТВЧ, то наплавку производят непрерывно-последовательным способом.

Продолжительность нагрева, с, определяют по эмпирическим формулам при одновременной наплавке

τ _н = 10 + а h_с, при непрерывно–последовательной

τ _н = (10 + а h_с) (l / l_и + 1),

где а – коэффициент, учитывающий состав шихты и грануляцию порошка (а = 13…17);

h_с – толщина наплавляемого слоя, мм;

l и l_и – длины наплавляемого участка и активной части индуктора, мм.

Наплавленные детали из среднеуглеродистых сталей и работающие в условиях знакопеременных нагрузок подвергают нормализации.

Индукционную наплавку широко применяют для восстановления и упрочнения плоских деталей и внутренних цилиндрических поверхностей с наплавлением слоя толщиной 0,3…2,5 мм, наружных цилиндрических поверхностей – до 1 мм. К таким деталям относятся лопатки тягодутьевых вентиляторов, направляющие дуги пескометов [10]. Достоинствами способа являются: высокая производительность процесса (до 20 кг/ч), незначительное проплавление основного металла (10…15 %), структурная однородность наплавленного слоя. К недостаткам способа следует отнести высокую энергоемкость процесса, сложность использования способа для восстановления участков с неравномерным износом.

3. Металлизация

Сущность процесса заключается в том, что расплавленный металл распыляется под давлением до 0,6 МПа струей инертного газа или воздуха на частицы размером от 3 до 300 мкм и со скоростью 50…700 м/с наносится на специально подготовленную поверхность детали.

При электродуговой и плазменной металлизации источником тепла является электрическая дуга, горящая между электродами в потоке газа.

При газотермической металлизации источником тепловой энергии является пламя, образующееся при горении смеси кислорода и горючего газа (ацетилена, метана и др.).

Присадочный материал покрытия подается в высокотемпературный газовый поток в виде проволоки (прутка) или порошка.

Максимальная температура в процессе металлизации составляет: при газопламенном методе – 1800…3500 К, при электродуговом и плазменном – 1500…2000 К. Скорость частиц напыляемого материала составляет: при газопламенной металлизации – 50…100 м/с, при электродуговой – 60…250 м/с, при плазменной – 100…400 м/с, при детонационной – более 700 м/с.

Напыление покрытий происходит в следующем порядке: расплавление наплавляемого материала; ускорение и распыление расплавленного материала в частицы; полет напыляемых частиц в направлении к обрабатываемой поверхности; удар частиц и их сцепление с поверхностью обрабатываемого изделия.

Принципиальная схема газотермического напыления показана на рис. 19.

В верхней части рисунка показано распыление проволочного материала, нижней – напыляемого порошка. Проволочный материал поступает в высокотемпературный поток газов в расплавленном состоянии, а при напылении из порошков – в твердом состоянии.

Частица порошка (нижняя часть) на участке А нагревается до температуры плавления. Далее на участке В частицы плавятся в жидкие капли металла. На участке В происходит перегрев и частичное испарение капель.

Струя газа – носителя распыляет расплавленный металла на мельчайшие частицы, сообщает им значительные ускорения, под действием которых происходит разгон частиц, формирование распыленных частиц по величине и конфигурации.

Рис. 19. Схема процессов газотермического напыления для проволочных (верхняя часть рисунка) и порошковых материалов: А – область нагрева исходного материала до начала плавления; Б – область нагрева до полного плавления; В – область движения частиц материала в расплавленном состоянии (возможны перегрев, испарение); Г – распылительная газотермическая головка (горелка); О – основа; П – покрытие; 1 – твердая частица порошка; 2 – частица, расплавленная не полностью; 3 – расплавленная частица (капля); 4 – испаряющаяся (перегреваемая) капля (частица); 5 – центральное пятно; 6, 7 – среднее и периферийное кольца пятна напыления

В полете частицы распределяются определенным образом по сечению струи. Основная масса частиц материала поступает по центру потока (пятно 5). Здесь покрытие имеет наилучшее сцепление с основой, минимальную пористость и окисление частиц. В наружной части факела (кольцо 7) частицы материала перемещаются с минимальной скоростью, при этом образуется окисленный слой частиц с высокой пористостью и плохим сцеплением с подложкой.

Жидкие или пластифицированные частицы с поверхностной пленкой частично разрушаются при ударе о поверхность детали. При ударе капли разрушается окисная пленка и происходит частичное разбрызгивание жидкого ядра. Частицы, отвердевшие до удара, не разрушаются. Такой механизм формирования покрытия приводит к появлению в нем микропустот и микропор, образованных газовыми пузырями. Так как напыление покрытия осуществляется на практически холодную подложку, при охлаждении капель (частиц) напыляемого слоя в них возникают внутренние («усадочные») напряжения.

Нанесенное покрытие является пористым и хрупким, имеет относительно высокую твердость и низкую механическую прочность. Покрытие хорошо пропитывается смазочным материалом и при небольших удельных нагрузках имеет высокую износостойкость. Однако при больших удельных нагрузках на сдвиг и сжатие (зубья шестерен, шлицы, кулачки распределительных валов, шпоночные канавки, резьбы и т.п.), а также в условиях полного отсутствия смазочного материала (поверхности сцепления, тормозные барабаны и т. п.) металлизационное покрытие быстро разрушается (выкрашивается). Металлизация отличается высокой производительностью процесса и позволяет получать покрытия толщиной от 0,1 до 10 и более мм.

К недостаткам металлизации относятся относительно большие потери металла при напылении, значительное выгорание химических элементов и окисление наращиваемого металла. При наращивании цилиндрических поверхностей из-за большого угла конуса распыла потери электродного материала достигают 40…60 %. При электродуговой металлизации и использовании воздуха в процессе выгорает до 35 % углерода, до 40 % марганца и до 50 % кремния. Применение азота вместо воздуха значительно снижает выгорание химических элементов и почти в два раза увеличивает прочность покрытия.

В зависимости от способа расплавления наносимого материала различают металлизацию: электродуговую (расплавление электрической дугой), газопламенную (расплавление газовым пламенем) и плазменную (расплавление плазменной струей). Аппараты, с помощью которых расплавляют и наносят металл, называют металлизаторами.

Прочность сцепления наносимого покрытия с основным металлом детали в значительной степени зависит от подготовки поверхности. Поверхность под металлизацию тщательно очищают от грязи, влаги, оксидов и обезжиривают. Поверхность детали из пористого металла обезжиривают нагревом. Например, чугунные детали нагревают до температуры 200…250 °С и выдерживают до полного удаления смазки в течение 2…8 ч.

Прочное сцепление покрытия достигается в основном за счет шероховатости поверхности, которую создают специальной обработкой. Необходимая шероховатость поверхностей достигается пескоструйной или дробеструйной обработкой, нарезанием «рваной» резьбы, накаткой или электрическими методами.

Высокую сцепляемость покрытия с основой обеспечивает нанесение подслоя из смеси никеля с алюминием.

Поверхность деталей любой твердости обдувают крошкой из оксида алюминия или стальной крошкой с размерами зерен 0,8…1,2 мм, после чего металлизацией наносят промежуточный слой (подложку) из смеси никеля с алюминием. При металлизации между никелем и алюминием происходит экзотермическая реакция, которая протекает с низкой скоростью. В результате в момент ударения наносимых частиц о поверхность детали их температура достигает 1450 °С. По этой причине слой, состоящий из никеля, алюминия и их оксидов, прочно приваривается к поверхности и образует шероховатость, которая создает условия для надежного сцепления последующего металлизационного слоя с этой поверхностью. Смесь никеля с алюминием применяют в виде порошка и порошковой проволоки, оболочка которой выполнена из никеля, а в качестве наполнителя используется алюминиевый порошок, или наоборот.

Электродуговая металлизация. По способу расплавления металла электрическую металлизацию делят на дуговую и высокочастотную. Последняя не получила широкого применения из-за высокой стоимости и громоздкости оборудования.

Сущность электродуговой металлизации заключается в следующем. Две изолированные друг от друга проволоки 1, находящиеся под напряжением, (рис. 20) подаются с одинаковой скоростью специальным механизмом подачи2. При выходе из наконечников 3 между проволоками возникает электрическая дуга. Газ (воздух), подаваемый под давлением по каналу 4 в зону дуги 5, распыляет расплавленный металл в зависимости от давления на частички размером от 10 до 150 мкм и напыляет на деталь 6.

Рис. 20. Схема электродуговой металлизации: 1 – электродная проволока; 2 – механизм подачи проволоки; 3 – канал для газа; 4 – наконечник; 5 – электрическая дуга; 6 – деталь

Особенностью электродуговой металлизации является образование нескольких максимумов в факеле распыления. Причина в том, что струя сжатого воздуха рассекается электродными проволоками на два или три потока, в зависимости от числа проволок, подаваемых в очаг плавления. В каждом из этих потоков образуется своя ось максимальной концентрации распыленных частиц. Скорость полета частиц составляет 120…300 м/с. Благодаря большой скорости частиц и времени полета, равному тысячным долям секунды, последние в момент удара о деталь пластически деформируются, заполняют микронеровностей и поры поверхности детали, сцепляются между собой и с поверхностью, в результате чего образуется покрытие. Пористость покрытия создает благоприятные условия для работы подвижных соединений, так как металлизационные покрытия обладают самосмазываемостью. Это объясняется различием в коэффициентах расширения смазки и материала детали. С повышением температуры трущихся поверхностей масло за счет большего объемного расширения выступает из пор и капилляров и смазывает поверхности трения. Самосмазываемость необходима особенно в начальный период работы соединения, когда между поверхностями трения находится мало смазочного материала и возможно схватывание трущихся поверхностей.

Нагрев восстанавливаемой детали при металлизации не превышает 100…150 °С, что исключает ее коробление и изменение структуры металла.

Послойным нанесением расплавленного металла можно получить покрытие толщиной от нескольких микрометров до 10 мм и более. Толщина покрытия составляет для тугоплавких материалов 1,0…1,5 мм, для легкоплавких – 2,5…3,0 мм.

Электродуговую металлизацию ведут на переменном или постоянном токе. При работе на постоянном токе дуга горит непрерывно, на переменном токе она периодически возобновляется. Поэтому при использовании постоянного тока процесс плавления более стабилен, дисперсность частиц и плотность получаемых покрытий выше, чем при применении переменного тока.

Процесс электродуговой металлизации осуществляется специальным аппаратом – электродуговым металлизатором. Для нанесения покрытий в этих аппаратах используется проволока, в т. ч. и порошковая. Механизм подачи проволоки может быть пневматическим и электрическим. Напряжение при металлизации составляет 18…40 В, а сила тока – 100…140 А. Производительность электродуговой металлизации выше, чем при газопламенном напылении, и составляет: для стали – 5…70, бронзы – 60…90, алюминия – 3…37, цинка – 10…140 кг/ч.

Наиболее широкое применение в ремонтном производстве получили электродуговые металлизаторы, выпускаемые Барнаульским аппаратурномеханическим заводом (БАМЗ). Электродуговые металлизаторы выпускаются в двух вариантах: для ручной металлизации и для металлизации на станках.

Ручной электродутовой металлизатор ЭМ-14М предназначен для нанесения износостойких и декоративных покрытий, а также для восстановления изношенных поверхностей газотермическим напылением проволочного материала с температурой плавления не более 3000 °С. Металлизатор ЭМ-14М может также устанавливаться на любое приспособление при механизированном процессе напыления.

Стационарный электродуговой металлизатор ЭМ-17, предназначен для нанесения покрытий из стали при восстановлении и упрочнении деталей, а также для нанесения противокоррозионных покрытий из цинка и алюминия в условиях автоматизированных производств.

Основные технические характеристики электродуговых металлизаторов ЭМ-14М и ЭМ-17 приведены в табл. 19.

Газопламенная металлизация. При газопламенной металлизации напыляемый металл расплавляется пламенем горючего газа (ацетилена, пропанбутана и др.) и кислорода, а распыляется сжатым воздухом или инертным газом.

Газопламенная металлизация позволяет получать сравнительно высокое качество покрытий при незначительном выгорании легирующих элементов.

Окисление частиц не превышает 3 % общего объема нанесенного покрытия. Наиболее перспективно нанесение металлизационных покрытий с последующим его оплавлением пламенем этой же или другой горелки, при этом снижается пористость и значительно повышается качество наносимых покрытий.

Основные недостатки газопламенной металлизации – относительно высокая стоимость покрытия и сложность установки, которая включает в себя источники питания горючими газами, кислородом, сжатым воздухом (с устройством для его очистки) и газовый металлизационный аппарат. Газопламенные аппараты (металлизаторы) по виду используемого присадочного материала делят на проволочные и порошковые.

Таблица 19. Технические характеристики электродуговых металлизаторов ЭМ-14М и ЭМ-17

Проволочные газопламенные металлизаторы выпускаются в двух вариантах. Аппарат МГИ-2 предназначен для ручных работ, а стационарная установка МГИ-5 – для металлизации крупногабаритных деталей при их централизованном восстановлении.

Проволока расплавляется и распыляется в специальной головке аппарата. Схема ее работы показана на рис. 21, а. Подается проволока 2 воздушной турбиной, встроенной в корпус аппарата. В проволочных горелках используют проволоку диаметром от 1,5 до 5 мм.

Порошковые газопламенные аппараты по конструкции проще проволочных. Схема работы распылительной головки этого аппарата показана на рис. 21, б.

В зависимости от диаметра распыляемой проволоки производительность при ручной металлизации составляет для стали и алюминия от 1,5 до 8,5 кг/ч; при напылении порошков карбида вольфрама – 4…9, окиси алюминия – 1,5…3 кг/ч.

Промышленность выпускает установку УПН-8, предназначенную преимущественно для нанесения покрытий из порошковых тугоплавких материалов с последующим их оплавлением. Поэтому установка, кроме распылительной головки и бачка для порошка, укомплектована сварочной ацетиленокислородной горелкой со специальными наконечниками для оплавления покрытий.

Рис. 21. Схема устройства проволочной (а) и порошковой (б) газопламенной распылительной головки: а) 1 – горючая смесь; 2 – проволока; 3 – сжатый воздух; б) 1 – напыляемый порошок; 2 – сжатый воздух; 3 – горючая смесь

Ниже представлена техническая характеристика установки газопламенной металлизации УГМ-1, производимой Барнаульским аппаратурномеханическим заводом.

Техническая характеристика установки для газопламенного напыления УГМ-1:

Горючий газ ацетилен Расход газов м³/ч, не более:

ацетилена 1,3

кислорода 2,5

сжатого воздуха 60,0

Рабочее давление газов, МПа (кгс/см²)

ацетилена 0,06…0,10 (0,6…1,0)

кислорода 0,20…0,45 (2,0…4,5)

сжатого воздуха 0,40…0,50 (4,0…5,0)

Диаметр применяемой проволоки, мм 2,0; 3,0; 4,0

Номинальная производительность по распыленному материалу, кг/ч:

алюминию 2,1; 3,9; 4,8

цинку 7,6; 16,2; 23,0

Рабочий диапазон скорости подачи проволоки, м/мин 1…7

Масса установки, кг, не более 25

в т. ч. аппарата, кг, не более 2,2

Габаритные размеры, мм, не более аппарата 220x110x208

приспособления для укладки бухт проволоки 800x800x830

При восстановлении деталей газопламенной металлизацией, в зависимости от назначения и материала детали, условий ее эксплуатации используют следующие приемы:

1. нанесение покрытия без последующего оплавления – используют для восстановления деталей с износом до 2,0 мм, не подвергающихся в процессе эксплуатации ударам, знакопеременным нагрузкам, большому нагреву;
2. нанесение покрытия с одновременным оплавлением – используют для восстановления деталей с местным износом до 3…5 мм, работающих при знакопеременных и ударных нагрузках, изготовленных из серого чугуна, конструкционных, коррозионно-стойких сталей и др.;
3. нанесение покрытия с последующим оплавлением – восстанавливают детали типа вала с износом до 2,5 мм на сторону. Восстановленные детали устойчивы против коррозии, абразивного изнашивания, действия высоких температур.

Плазменная металлизация. Сущность этого процесса заключается в том, что металл, расплавленный плазменной струей, распыляется и наносится на восстанавливаемую поверхность теми же газами, которые применяют для плазмообразования и защиты.

С помощью плазменной струи, имеющей высокую температуру, практически можно наносить любые тугоплавкие материалы (вольфрам, диоксид циркония, оксид алюминия), а также карбиды, бориды, нитриды и другие тугоплавкие соединения с высокой скоростью и равномерностью. Покрытия можно наносить на большинство материалов, в том числе на стеклопластики. Применение для плазмообразования и защиты нейтральных газов – аргона, азота и их смесей способствует минимальному выгоранию легирующих элементов и окислению частиц. Поэтому покрытия, полученные плазменной металлизацией, характеризуются более высокими механическими свойствами по сравнению с покрытиями, полученными электрической металлизацией.

Детонационное напыление. Детонационные покрытия формируются с помощью ударных волн, периодически инициируемых микровзрывами смеси кислорода и ацетилена или пропан-бутановой смеси и кислорода.

На рис. 22 показана схема установки ДНП-5М, переоборудованной на питание пропан-бутановой смесью и воздухом взамен соответственно ацетилена и азота. Детонационная пушка состоит из ствола 5, представляющего собой водоохлаждаемую трубу. Взрывная камера 3 служит для приема компонентов взрывчатой смеси и порошкового материала. Смесь подают из баллонов через смесительную камеру 4. Порошок транспортируется газом (азотом или воздухом) из питателя 1.

В рабочую (взрывную) камеру 3 установки поступает определенное количество взрывчатой смеси (ацетилен + кислород или пропан–бутан + кислород) и взвешенных частиц порошкового материала. С помощью запального устройства 2 она воспламеняется. Из рабочей (взрывной) камеры пламя распространяется по стволу со скоростью (2…4) 10³ м/с. Цикл взрыва составляет 0,23 с, т. е. в секунду производится 3…4 взрыва. Во взрывной волне газ сжимается до давления десятков атмосфер с температурой несколько тысяч градусов.

Рис. 22. Схема работы детонационной установки по базовой (а) и усовершенствованной (б) технологиям: 1 – порошковый питатель; 2 – запальное устройство; 3 и 4 – взрывная и смесительная камеры; 5 – водоохлаждаемый ствол; 6 – напыляемое покрытие; 7 – основание

По достижении детонационной волной открытого конца ствола она увлекает напыляющие частицы и в виде двухфазного потока (продукты детонации и напыляемые частицы) движется к мишени. Скорость потока на выходе из ствола составляет 875 м/с, материал покрытия со сверхзвуковой скоростью выбрасывается взрывной волной на обрабатываемую поверхность.

В двухфазном потоке продукты детонации нагревают и ускоряют напыляемые частицы, которые могут плавиться и испаряться. Покрытие может формироваться из полностью расплавленных частиц и из смеси расплавленного и нерасплавленного материалов. Благодаря высоким в момент удара скорости и температуре частицы порошка привариваются и кристаллизуются на поверхности подложки.

Несмотря на высокие температуры, развивающиеся в месте контакта частиц порошка с подложкой, деталь не нагревается до температуры более 200°С. При каждом взрыве на ограниченный участок поверхности наносится покрытие толщиной 6,3 мкм. Сплошное покрытие получают последовательным нанесением частиц порошка на отдельные участки при перемещении детали относительно канала ствола. Дистанцию напыления задают в зависимости от материала, размеров и форм детали, материала и необходимой толщины покрытия и изменяют от 50 до 200 мм. Необходимую толщину покрытий получают многократным повторением циклов стрельбы. Смещение детали между двумя циклами не должно превышать 0,5 диаметра ствола.

Толщина детонационных покрытий составляет 0,04…0,22 мм. Покрытие состоит из трех зон: переходная зона толщиной 0,005…0,03 мм определяет прочность сцепления покрытия с подложкой; основная зона, толщина которой в зависимости от назначения покрытия составляет 0,03…0,15 мм; поверхностная зона толщиной 0,01…0,04 мм обычно удаляется при доводочных операциях.

Для напыления используют порошки чистых металлов – Ni, Al, Mo, N, окислов, карбидов, нитридов и т.д.

В зависимости от соотношения компонентов горючей смеси можно изменять температуру (до 4000 К) и скорость продуктов детонации. Наибольшая скорость достигается при содержании в ацетиленокислородной смеси 50 % кислорода, а наибольшее тепловыделение – при 71 % (по объему) кислорода.

Уровень шума при работе детонационной установки очень высок – 140 дБ, что превышает допустимый техникой безопасности порог (80 дБ). Поэтому установка помещается в звуконепроницаемую камеру и управляется оператором, расположенным за перегородкой.

Физико-химические и эксплуатационные свойства детонационных покрытий, имеют более высокие показатели, чем покрытия, полученные другими способами газотермического напыления.

4. Электроконтактное напекание металлических порошков

Технологический процесс разработан в Челябинском институте механизации и электрификации сельского хозяйства. Способ применяют для восстановления деталей типа валов и осей.

Сущность процесса заключается в следующем. Между вращающейся деталью 4 (рис. 23), установленной в шпиндель токарного станка, и медным роликом – электродом 2 подают присадочный порошок 3. Ролик 2 при помощи пневмоили гидроцилиндра 1 прижимается к детали с усилием 0,75…1,2 кН. При прокатывании детали и ролика и в результате большого электрического сопротивления в месте их контакта порошок нагревается до температуры 1100…1300 °С. Раскаленные частицы порошка спекаются между собой и с поверхностью детали. Для напекания порошка применяют большую силу тока 2500…3500 А на сантиметр ширины ролика и низкое напряжение 0,7…1,2 В от трансформатора 6.

Качество слоя зависит от размеров детали и ролика, давления, создаваемого роликом, окружной скорости детали и химического состава порошка. При восстановлении деталей диаметром от 30 до 100 мм электроконтактным напеканием получают покрытия толщиной от 0,3 до 1,5 мм. С увеличением диаметра детали толщина наносимого слоя возрастает. Скорость напекания составляет 0,17…0,25 м/мин.

Достоинствами процесса являются: высокая производительность, малая глубина теплового воздействия и высокая износостойкость напеченного слоя. К недостаткам относятся: сложность оборудования и ограниченность толщины напекаемого слоя.

Рис. 23. Схема электроконтактного напекания металлических порошков: 1 – силовой цилиндр; 2 – ролик; 3 – металлический порошок; 4 – деталь; 5 – напекаемый слой; Р – прижимное усилие

Электроконтактная наплавка. Процесс отличается тем, что в зону контакта ролика и детали вместо порошка подают присадочную проволоку. Прочное сцепление наплавляемого слоя с поверхностью детали обеспечивается за счет частичного плавления металла в месте контакта и за счет диффузии. Этим способом наплавляют цветные металлы на детали из стали и чугуна.

Электроконтактной наплавкой восстанавливают детали диаметром от 10 мм и более. Толщина наплавляемого слоя составляет 0,2…1,5 мм, ток 4000…12000 А, напряжение 1,5…4 В. Скорость наплавки и давление, создаваемое роликом, определяют опытным путем в процессе наплавки.

Электроконтактная приварка ленты. Процесс разработан во ВНИИТУВИД «Ремдеталь». Сущность процесса заключается в приварке стальной ленты к восстанавливаемой поверхности детали мощными импульсами сварочного тока.

Схема приварки металлической ленты к поверхности вала показана на рис. 24. Деталь 2 устанавливают в центрах 1 или патроне, а сварочная головка

с роликами 4. Лента плотно прижимается роликами 4 посредством пневмоцилиндров. Подвод тока к роликам производится от трансформатора 5. Требуемая длительность цикла обеспечивается прерывателем тока 6.

Рис. 24. Схема электроконтактной приварки стальной ленты: 1 – центр; 2 – восстанавливаемая деталь; 3 – лента; 4 – ролик; 5 – трансформатор; 6 – прерыватель тока

В сварной точке, от действия импульса тока, происходит расплавление металла ленты и детали. Металл ленты расплавляется не по всей ее длине, а лишь в тонком поверхностном слое в месте контакта детали и ленты.

Ленту приваривают по всей изношенной поверхности регулируемыми импульсами тока, перекрывающимися точками, расположенными по винтовой линии. Регулируемые импульсы сварочного тока получают используя прерыватели, применяемые в контактных сварочных машинах, а также конденсаторные источники питания. Перекрытие точек как вдоль рядков, так и между рядками обеспечивается вращением детали со скоростью, пропорциональной частоте импульсов, и продольным перемещением сварочных роликов.

Для уменьшения нагрева детали и закалки приваренного слоя в зону сварки подают охлаждающую жидкость.

Способ восстановления деталей контактным электроимпульсным покрытием применяют для восстановления посадочных мест валов, наружных цилиндрических поверхностей деталей, а также отверстий в чугунных и стальных корпусных деталях.

Достоинства способа: высокая производительность (до 100 см²/мин), малая глубина термического влияния, минимальный припуск на последующую механическую обработку и высокая износостойкость наращенного слоя. Для повышения твердости и износостойкости покрытия, зону сварки охлаждают водой. Это позволяет получить без специальной термической обработки покрытия твердостью до HRC 60…65. К недостаткам следует отнести: низкую стойкость роликовых электродов и сложность оборудования.

Режим приварки определяется электрическими и механическими показателями. К электрическим показателям относятся сила сварочного тока и длительность сварочного цикла. При малой силе тока не обеспечивается надежная сварка, а избыточная сила тока приводит к образованию на поверхности детали пор и трещин. Механическими показателями являются: частота вращения, подача и усилие сжатия электродов. Подачу электродов, частоту вращения детали, продолжительность сварочного цикла подбирают из условия необходимости получить 6…7 сварочных точек на 1 см длины шва (подбирают на эталонных образцах при постоянной скорости вращения). Подача электрода обеспечивает перекрытие сварных точек: малое перекрытие ухудшает свариваемость ленты с основным металлом, а повышенное – увеличивает зону отпуска, что снижает твердость приваренного слоя. При недостаточном усилии сжатия электродов на поверхности ленты и детали возникает сильное искрение в зоне контакта, что приводит к эрозионному разрушению. Избыточное усилие сжатия электродов приводит к их деформации и снижению долговечности.

Твердость, износостойкость и прочность сцепления ленты с деталью зависят от марки стали ленты. Высокую твердость обеспечивают ленты из хромистых и марганцевых сталей. Рекомендации по выбору материала ленты представлены в табл. 20. Толщина ленты берется в пределах 0,3…1,5 мм.

Таблица 20. Зависимость твердости покрытия от материала ленты

Ролики (электроды) изготавливают из специальных медных сплавов, бронзы (БрНБТ, ХКд-0,5-0,3, БрХ, БрХЦр-0,6-0,05), сплава Мц-4, меди М-1. Усилие прижатия роликов при приварке ленты 1,3…1,6 кН.

Режим приварки стальной ленты толщиной до 1 мм:

1. сила тока 16,1…18,1 кА;
2. усилие прижатия ролика 1,4…1,6 кН;
3. скорость приварки 42…72 м /ч;
4. продольная подача 3…4 мм /об;
5. длительность сварочного цикла 0,04…0,08 с;
6. длительность паузы 0,1…0,12 с;
7. ширина рабочей части сварочных роликов 4 мм;
8. расход охлаждающей жидкости 90…180 л/ч.

Для восстановления шеек валов приваркой стальной ленты предназначена установка 011-1-02 «Ремдеталь». Резьбовые участки валов малого диаметра восстанавливают приваркой стальной проволоки на установке 011-1-05 «Ремдеталь». Внутренние поверхности гильз цилиндров дизелей восстанавливают приваркой присадочного материала на установке 011-1-06 «Ремдеталь», а коренные опоры блоков – картеров дизелей Д-50, Д-65, СМД-14, СМД-60 контактной приваркой стальной ленты на установке 011-1-11 «Ремдеталь». Установка 011-1-10 «Ремдеталь» предназначена для восстановления как наружных, так и внутренних поверхностей чугунных и стальных деталей контактной приваркой стальной ленты [12].