книги / Специальные плазменные технологии

верхностью сварочной ванны или основного металла находятся в жидком или твердо-жидком состоянии.

При внешней подаче порошка время его пребывания в дуге значительно короче, а нагрев не столь эффективен. По данным исследователей, на нагрев порошка расходуется при внутренней его подаче от 9 до 20 % мощности дуги, при внешней – около 12 %.

Взависимости от конструкции плазмотрона для наплавки применяют присадочные порошки с размером частиц от 45 до 250 мкм, реже – до 400 мкм, получаемые, как правило, путем распыления жидкого металла инертным газом или водой.

Плазмотроны с внутренней подачей порошка используют для наплавки композиционных слоев, если присадочным материалом являются механические смеси порошков сплава-связки

икарбидов вольфрама, ниобия или ванадия. Содержание карбидов в смеси может достигать 75–80 % по массе. Величина зерен от 20 до 200 мкм. В остальных случаях применяют раздельную подачу порошков карбида и сплава-связки.

Вкачестве плазмообразующего и транспортирующего газов для наплавки порошком применяют аргон. Как защитный газ используют аргон, смесь аргона с 5–8 % водорода или азот. Аргоноводородная смесьможет служить такжеи дляподачи порошка.

До недавнего времени плазменную наплавку порошком выполняли исключительно на постоянном токе прямой полярности. Хотя идея наплавки плазменной дугой обратной полярности с присадкой порошка была высказана и запатентована Р. Гейджем и др. еще в 1959 г., ее удалось реализовать лишь в начале 1980-х гг. Первые промышленные плазмотроны для наплавки порошком током обратной полярности были разработаны практически одновременно в Японии и СССР.

Производительность плазменно-порошковой наплавки порошком в зависимости от мощности плазмотронов составляет 4–10 кг наплавленного металла в час. Минимальная толщина наплавленного слоя при внутренней подаче порошка равна 0,25 мм,

31

при внешней подаче – 0,5 мм. Наибольшая высота однослойного валика в обоих случаях составляет 5–6 мм. Возможность нанесения сравнительно тонких слоев с малым проплавлением основного металла– важноедостоинствоплазменной наплавкипорошком.

При наплавке без колебаний плазмотрона наплавленные валики имеют ширину 3–10 мм; при наплавке с колебаниями она может достигать 40–50 мм.

Технологические параметры плазменно-порошковой наплавки:

Сила тока дуги прямого действия оказывает наибольшее влияние на долю основного металла в наплавленном. Диапазон силы тока, при котором доля основного металла в наплавленном составляет 2–10 %, равен 100–200 А.

Ток косвенной дуги практически не влияет на проплавление основного металла. Но при слишком малом токе косвенной дуги стабильность работы плазмотрона снижается. При больших значениях сильно возрастает тепловая нагрузка на плазмообразующее сопло. С этой точки зрения оптимальное значение силы тока косвенной дуги 70–100 А.

Расход плазмообразующего газа – с увеличением расхода ПО газа доля основного металла в наплавленном увеличивается. На практике расход составляет 1–2 л/мин.

Расход транспортирующего газа в пределах 4–9 л/мин влияет на долю основного металла в наплавленном валике аналогично плазмообразующему газу, но заметно слабее.

Амплитуда и частота колебаний плазмотрона (A = 2,5–16 мм, f = 8–87 мин–1) незначительно влияют на проплавление основного металла.

Расстояние от плазмотрона до изделия в пределах 7–22 мм,

проплавление основного металла сохраняется практически постоянным, что является важным достоинством плазменной наплавки. Рекомендованное расстояние 8–15 мм для стабильной защиты сварочной ванны.

Скорость наплавки в интервале 1,7–32 м/ч, зависит от силы тока, массовой скорости подачи порошка и амплитуды коле-

32

баний, доля основного металла остается практически постоянной, а затем снижается.

Плазменную наплавку порошком применяют при изготовлении новых деталей. Плазменная наплавка порошком особенно эффективна в условиях серийного производства. Применяется для наплавки уплотнительных поверхностей арматуры для тепловых и атомных электростанций, нефтехимических предприятий и судовых установок, клапанов двигателей внутреннего сгорания различного назначения и т.д.

1.4. СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОСНОВНЫХ СПОСОБОВ НАПЛАВКИ

В настоящее время разработано большое количество различных способов наплавки, основанных на использовании различных источников нагрева, электродных и присадочных материалов, защитных сред, приемов формирования наплавленного слоя и т.д. Основные характеристики некоторых из них приведены в табл. 2.

Очевидно, что любой новый способ наплавки может найти промышленное применение лишь в том случае, если он удовлетворяет по крайней мере одному из следующих требований:

♦дает возможность эффективно восстанавливать или упрочнять детали, которые из-за их формы, размеров, материала или по другим причинам нельзя наплавить известными и уже освоенными способами;

♦позволяет использовать для наплавки металлы и сплавы, которые ранее не наплавлялись, или же получать новые комбинации наплавленного и основного металлов;

♦основывается на применении новых, более доступных

идешевых видов наплавочных материалов;

♦превосходит по своим показателям (производительности, экономичности, качеству наплавленного металла) известные способы.

33

Таблица 2

Сравнительные характеристики некоторых способов наплавки

Необходимо сравнить с этой точки зрения описанные выше основные способы плазменной наплавки.

Плазменная наплавка проволокой. Преимуществами плазменной наплавки, определяющими возможные области ее применения, являются: малая глубина проплавления основного металла, меньшее по сравнению с дуговой наплавкой тепловложение в основной металл, что представляет интерес при наплавке деталей из термически упрочненных или чувствительных к перегреву сталей.

34

Плазменная наплавка по неподвижной присадке эффек-

тивна только для небольшого круга деталей, как правило, массового производства, поэтому и в будущем ее применение будет, по-видимому, ограниченным.

Плазменно-порошковая наплавка обладает всеми досто-

инствами плазменной наплавки проволокой. Кроме того, применение в качестве присадочного материала порошка, который может быть получен практически из любого сплава, независимо от его твердости, прочности, степени легирования и других свойств, значительно расширяет круг сплавов, наплавляемых механизированными способами. При необходимости порошки можно смешивать для получения требуемого состава наплавленного металла.

Важными достоинствами плазменной наплавки порошком являются небольшая толщина наплавленного слоя (при необходимости) и хорошее его формирование, благодаря чему снижаются расход наплавочных материалов и трудоемкость механической обработки наплавленных изделий.

Таким образом, среди рассмотренных способов плазменной наплавки наиболее универсальным и перспективным процессом является наплавка с присадкой порошка.

1.5. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПЛАЗМЕННОЙ НАПЛАВКИ

1.5.1. Наплавочные материалы

Выбор наплавочных материалов определяется видом износа. В свою очередь, вид износа деталей зависит от условий работы машины, агрегата, узла: одни детали работают при значительном абразивном изнашивании, другие – при высоких температурах и (или) в агрессивных средах, третьи – при знакопеременных нагрузках в условиях сильных давлений, ударов. Выбор наплавочных материалов оптимального состава вызывает

35

определенные трудности, поскольку наплавка слоев с заданными физико-механическими свойствами зависит от многих факторов: состава и формы наплавочного сплава, состава металлической основы детали, характера взаимодействия легирующих и других элементов, способа и режима наплавки и др.

Каждому типу наплавленного металла может соответствовать несколько конкретных составов наплавочных материалов в виде проволоки, лент, порошков и т.д.

Твердые сплавы особого класса. Данные сплавы являются износостойкими металлическими материалами, которые обладают высокой твердостью и сохраняют ее при высоких температурах в процессе работы. Для твердых сплавов характерно высокое содержание карбидов и боридов.

Износостойкость наплавленных слоев определяется не только наличием в сплаве тех или иных карбидов, но и строением матрицы– основы сплава, которая может быть ферритной, аустенитной, мартенситной. Феррит имеет низкую твердость, и в силу этого в нем плохо удерживаются твердые карбидные частицы, характеризующие износостойкость сплава. Мартенситная основа обладает наибольшей износостойкостью при абразивном изнашивании без ударных нагрузок. При ударных нагрузках из-за высокой хрупкостипроисходитвыкрашивание карбидов, чтоускоряет износ.

Хромоникелевые сплавы. Эти сплавы содержат в своем составе присадки бора и кремния, которые снижают температуру плавления и придают сплавам способность самофлюсования. Они имеют низкую температуру плавления (980–1080 °С), хорошо смачивают поверхность наплавляемого изделия, обладают высокой износо- и жаростойкостью.

Сплавы на основе железа. Такими сплавами являются высокоуглеродистые, высокохромистые сплавы, обладающие высокой износостойкостью при истирании в абразивной среде. Температура плавления этих сплавов 1275–1350 °С. Характерный недостаток сплавов – высокая хрупкость, приводящая к образованию трещин.

36

Основными легирующими и раскисляющими элементами, определяющими состав и структуру наплавленных слоев, являются углерод, хром, вольфрам, бор, марганец, никель, кобальт, кремний, титан, алюминий. Углерод – основной карбидообразующий элемент. При его содержании в наплавочных порошках до 0,6 % в сочетании с другими карбидообразующими элементами образуются сплавы с доэвтектоидной структурой. Эти сплавы отличаются ударостойкостью при сравнительно высокой износостойкости. При содержании углерода более 2 % образуются заэвтектические структуры с количеством карбидов до 40 % при содержании аустенита не менее 20 %. Такие сплавы обладают высокой износостойкостью, но пониженной ударостойкостью.

Хром – карбидообразующий элемент. В зависимости от содержания углерода и температуры наплавки хром образует

карбиды различного состава: Сr2С2, Сr7С3, Cr13С6. С увеличением содержания хрома повышаются твердость и износостойкость

сплавов, но понижается пластичность, и увеличивается склонность к образованию кристаллизационных трещин. Хром способствует упрочнению основы сплава – аустенита и мартенсита, но, как и углерод, повышает карбидную неоднородность. Хром повышает коррозионную стойкость сталей.

Вольфрам – карбидообразующий элемент, растворяется в феррите, с углеродом образует два карбида: WC и WC2. Вольфрам повышает износо- и жаростойкость сплавов.

Бор – легирующий элемент, влияние которого при многокомпонентном легировании изучено недостаточно. С углеродом, хромом и другими карбидообразующими элементами бор дает различные соединения в виде боридов и карбоборидов. Введение небольшого количества бора значительно повышает твердость и износостойкость сплава, но резко снижает вязкость, что является причиной образования трещин при наплавке. Бор обладает флюсующими свойствами, способствует понижению температуры плавления сплава.

37

Кремний– сильный раскислитель, карбидов не образует, служит составной частью твердого раствора, способствует повышению жаростойкости и красностойкости сплавов. При содержании его свыше 4 % снижаетсяударнаявязкость и повышается хрупкость. По границам зерен кремний склонен к образованию легкоплавких прослоек, способствующихвозникновениютрещин.

Марганец служит составной частью твердого раствора. Растворяясь в феррите, повышает прочность сплава; растворяясь

ваустените, увеличивает его количество. Марганец является хорошим раскислителем; при соответствующих концентрациях

всварочной ванне способствует удалению серы из наплавленного слоя, связывая ее в сульфид марганца (MnS), который пере-

ходит в шлак и тем самым предотвращает образование легкоплавких пленок по границам кристаллов.

Никель – ценный легирующий элемент, позволяющий в широких пределах регулировать количество аустенита в сплавах и тем самым получать наплавочные слои с различными фи- зико-механическими свойствами. Введение 3–5 % Ni в сплавы с содержанием до 1,5 % С дает возможность получать 30–45 % аустенита, что резко повышает вязкость сплава, не снижая его износостойкости.

Титан – активный карбидообразующий элемент и сильный раскислитель. С азотом титан образует прочные, переходящие в шлак нитриды.

Алюминий – карбидов не образует, растворяется в феррите, способствует графитизации. Как и титан, алюминий является сильным раскислителем и с кислородом образует тугоплавкие оксиды, которые при определенных условиях всплывают на поверхность сварочной ванны.

С азотом алюминий образует устойчивый нитрид AlN, переходящий при наплавке в шлак.

Порошки для плазменной наплавки. Для плазменной на-

плавки применяют порошки сплавов на основе железа, никеля, кобальта и меди. Порошок является универсальным наплавоч-

38

ным материалом, так как может быть получен практически из любого наплавочного сплава, независимо от прочности, твердости и других свойств последнего. При выборе порошков для плазменной наплавки руководствуются их химическим составом

ифизико-технологическими свойствами. К физико-технологи- ческим свойствам порошков относят: насыпную массу, пикнометрическую плотность, форму частиц, удельную поверхность

иее состояние, гранулометрический состав и текучесть. Текучесть порошков зависит от формы частиц порошка и состояния их поверхности. Максимальной текучестью обладают порошки с частицами сферической или округлой формы. Такие порошки наиболее пригодны для плазменной наплавки. Хорошая текучесть важна для нормальной работы наплавочных плазмотронов, в которых порошок, прежде чем попасть в дугу, должен пройти через систему каналов малого сечения. При малой текучести возможно забивание порошком транспортирующей трубки и каналов в плазмотроне, а при большой – наблюдается самопроизвольное высыпание порошка при неподвижном барабане дозатора вследствие вибрации оборудования. Кроме хорошей

текучести, порошки не должны комковаться и слеживаться в процессе хранения. Влажность наплавочных порошков должна быть минимальной. После длительного хранения порошок перед наплавкой необходимо просушивать. Для плазменной наплавки целесообразно применять порошки гранулометрического состава 0,06–0,315 мм. Наплавочные порошки должны содержать меньше газов, как растворенных в металле, так и в виде оксидов на поверхности частиц. Повышенное содержание газов в порошке может вызвать разбрызгивание металла при наплавке и появление в наплавленном слое пор и неметаллических включений. В промышленности нашли применение следующие способы получения порошков: механическое измельчение; распыление струи жидкого металла водой или газами под давлением; центробежное распыление вращающегося электрода, нагреваемого дугой или плазмой.

39

Наибольшее распространение получила плазменная наплавка порошками никелевых и кобальтовых сплавов (табл. 3). В меньших объемах используются порошки сплавов на основе железа, а также медных сплавов. Из материалов на основе никеля наибольшее распространение получили порошки самофлюсующихся Ni-Cr-Si-B-C-сплавов. Их применяют для наплавки дисков, клиньев, золотников и седел запорной арматуры различного назначения; валов, втулок, уплотнительных колец центробежных насосов; клапанов двигателей внутреннего сгорания и др. Порошки сплавов на основе кобальта (стеллиты) предназначены для наплавки деталей арматуры, клапанов, инструмента для горячего деформирования металла, ножей для резки целлюлозы, втулок насосов и др.

Таблица 3

Состав порошковых твердых сплавов для наплавки

Порошки сплавов на основе меди служат для наплавки деталей судовой арматуры из цветных сплавов.

40