Индукционная наплавка

Лекция 11

ЛАЗЕРНАЯ, ИНДУКЦИОННАЯ, ГАЗОВАЯ, ЭЛЕКТРОКОНТАКТНАЯ ВИДЫ НАПЛАВКИ

1. Лазерная наплавка

2. Индукционная наплавка

3. Наплавка намораживанием

4. Электромагнитная наплавка

5. Газовая наплавка

6. Электроконтактная приварка металлического материала

Лазерная наплавка

Лазерная наплавка использует в качестве источника тепла концентрированный луч лазера.

С помощью лазеров выполняют: наплавку, оплавление напыленных поверхностей, поверхностное легирование, поверхностную закалку и аморфизацию материала. Лазерный вид нагрева позволяет также устранять повреждения в виде трещин в высоконагруженных деталях с нерегулярным режимом нагружения, соединять детали в труднодоступных местах и керамические изделия. После лазерной обработки деталей с трещинами по режиму, обеспечивающему их частичное оплавление, с последующей нормализацией детали работа разрушения детали на 30% выше по сравнению с образцами, имеющими начальные трещины.

Исключительная локальность воздействия луча за счет высокой плотности энергии определяет область применения лазерной наплавки. Она применяется при восстановлении ответственных деталей (гладких валов и деталей со сложным профилем) с местным износом. Способ наиболее эффективен при восстановлении поверхностей площадью 5–50 мм² и величиной износа 0,1­–1,0 мм, при этом расход порошков невелик, глубина термического влияния обычно не превышает 0,5–0,6 мм, а деформации детали отсутствуют. С помощью лазерной наплавки восстанавливают, например, кулачки распределенных валов, поверхности роторов турбокомпрессора, оси фильтров тонкой очистки масла, фаски клапанов.

В качестве оборудования широко используют источники лазерного излучения марок ЛГН-702, УЛГН-502 и ЛОК-3М мощностью до 3 кВт.

При лазерной наплавке реализуют следующие преимущества этого вида нагрева:

- большую скорость выполнения операции;

- широкие технологические возможности;

- высокое качество поверхности после обработки;

- возможность местной обработки;

- легкость автоматизации;

- обработку внутренних поверхностей больших и малых диаметров с помощью несложных оптических устройств.

Порошковая лазерная наплавка заключается в подаче порошка газовым потоком в зону взаимодействия лазерного луча с восстанавливаемой поверхностью. Частицы порошка начинают нагреваться в лазерном луче и расплавляются в поверхностном слое покрытия.

Лазерную наплавку характеризуют следующие параметры (интервалы оптимальных значений приведены в скобках):

- мощность лазерного излучения (1–3 кВт);

- скорость перемещения восстанавливаемой поверхности под облучением (16,7­–33,3 мм/с);

- диаметр пятна нагрева, определяемым условиями фокусировки излучения (10–15 мм);

- расход порошка, подаваемого в зону обработки (2,1–3,2 кг/ч);

- угол ввода порошка (30–35º).

Увеличение мощности лазера приводит к увеличению количества расплавляемого порошка, вследствие чего возрастает ширина и высота наплавленных валиков.

Повышение скорости обработки приводит к существенному уменьшению геометрических размеров наплавленных валиков. Это связано с тем, что с увеличением скорости при постоянной мощности уменьшается удельная погонная энергия, а также массовый расход порошка.

Влияние степени фокусировки на геометрические параметры наплавляемых валиков неоднозначно. С уменьшением степени фокусировки при постоянной мощности снижается плотность мощности излучения, что приводит к уменьшению количества расплавленного порошка и высоты расплавленного валика. Ширина же валика первоначально возрастает за счет увеличения размеров пятна излучения, а затем уменьшается.

Важным параметром является направление подачи порошка относительно движения детали при лазерной наплавке. Подача порошка в направлении движущейся детали обеспечивает хорошее формирование наплавленных валиков. Процесс формирования при такой схеме стабилен: колебания высоты и ширина валика незначительны (10–15%). При подаче порошка навстречу движущейся поверхности детали газопорошковая струя оттесняет жидкий металл от закристаллизовавшейся части, вследствие чего он несколько растекается по поверхности, увеличивая площадь ванны плавления. При этом растет количество частиц порошка, попадающих в расплав, и немного увеличиваются размеры валиков по сравнению со случаем подачи порошка вслед движущееся детали. Однако геометрические размеры отличаются нестабильностью, разброс высоты и ширины валика достигают 50–60%.

Качество покрытий зависит также от толщины наплавляемого слоя и перекрытия валиков. Зависимость высоты наплавки от угла ввода порошка носит экстремальный характер.

Оплавление шликерных покрытий – это один из видов лазерной наплавки. Его применение целесообразно при восстановлении плоских поверхностей или локально изношенных участков деталей в труднодоступных местах.  Наносимый материал готовят в виде коллоидной смеси порошка в растворе целлюлозы. В этом случае наплавочный материал используется полностью. Для получения качественных покрытий лазером мощности 1 кВт толщина обмазки не должна превышать 1 мм, а для лазера мощностью 2,5 кВт быть ≤2 мм. Коэффициент перекрытия при этом должен составлять не менее половины диаметра рабочего пятна.

Твердость покрытий из самофлюсующихся порошков составляет 35–60 HRC для подложки из стали и 45–60 HRC для подложки из чугуна. Толщина нанесения слоя достигает 40–50 мкм. Прочность соединения покрытия с материалом подложки ≥250 МПа.

Лазерное оплавление напыленных покрытий – один из способов улучшения их свойств. Структура оплавленных лазером слоев характеризуется чрезвычайной дисперсностью, отсутствием оксидных включений и пор. Содержание легирующих элементов в оплавленных участках мало отличается от исходного. При лазерном оплавлении покрытий на оптимальном режиме, полученных напылением, можно добиться такого состояния поверхности, при котором последующая механическая обработка представляет собой отделку (например, шлифование).

Поверхностное легирование – это введение в оплавленный слой практически любых легирующих элементов и даже карбидов. Продолжительность процесса измеряется секундами, в то время как при химико-термической обработке (ХТО) – часами. Регулируя мощность лазерного луча, продолжительность нагрева, скорость вращения изделия и шаг перемещения луча можно достичь различной ширины оплавления: 0,05–5 мм. Порошок на поверхность детали наносят как пасту, замешанную в жидком стекле, в виде наплавленного слоя или фольги нужного состава. Имеется способ легирования вдуванием порошка в оплавляемый слой. Углерод вводят в виде графита, а легирующие элементы – в элементном виде или как ферросплавы. Аналогично вводят релит, сплавы типа ВК и др. Твердость и глубина легированного слоя зависят от мощности луча числа импульсов.

ХТО с лазерным нагревом ведут в камерах с аммиаком при азотировании. Плотность потока энергии изменяется от 10²до 10⁵ Вт/см². Микротвердость азотированного слоя 12 ГПа. При лазерном поверхностном легировании можно получать высокое пересыщение твердых растворов, более высокую твердость (1200 HV) и износостойкость.

Особенность поверхностной закалки заключается в нагреве и охлаждении поверхности со скоростями, достигающими 10^{5 о}С/с, при этом нагрев проводится по режиму, не дающему оплавления поверхности. Вследствие высокой скорости охлаждения металл не перегревается, имеет место полная гомогенизация структуры. При охлаждении образуется бесструктурный мартенсит, что способствует повышению твердости и износостойкости (>1000 HV).

Аморфизация поверхности (остекловение) получается при нагреве детали с оплавлением. Твердость поверхности достигает 2000 HV, долговечность при этом повышается. Слои укладываются плотными рядами или с перекрытием. В обоих случаях на границе слоя будет мягкая зона или на участке влияния, или в зоне перекрытия. На износостойкость эти мягкие участки не влияют, скорее даже имеют положительное значение, так как после небольшого износа они станут местом для задержания смазки и для отвода продуктов изнашивания. Особенно заметно уменьшение твердости между слоями и под слоем при лазерном упрочнении предварительно термически обработанной стали.

Структура и фазовый состав лазерных покрытий отличаются от других. В структуре не обнаруживаются первичные карбиды, а наблюдаются ячеистые зерна твердых растворов и эвтектики, причем размеры структурных составляющих очень малы. Твердый раствор значительно пересыщен легирующими компонентами, а в состав входят метастабильные фазы, представляющие собой карбиды или бориды.

Индукционная наплавка

Характеристика и технологический процесс. Технология индукционной наплавки основана на использовании токов высокой частоты для нагрева металла заготовки и присадочного материала.

Индукционный нагрев по удельной мощности тепловложения превосходит газовый и электродуговой, обеспечивает реальную скорость роста температуры до 200 °С/с и высокую производительность процесса. Мощность ТВЧ превосходит мощность газового пламени в 15–20 раз. Однако при наплавке ТВЧ отсутствует защитная среда, что требует очистки деталей и использования дополнительных флюсов.

Технологический процесс индукционной наплавки следующий. Восстанавливаемую поверхность детали предварительно обрабатывают для получения необходимых геометрической формы и размеров. На эту поверхность наносят шихту. Шихта состоит из магнитного порошкообразного твердого сплава и немагнитного флюса со связующим веществом. Толщина слоя шихты определяет толщину наплавленного покрытия.

Заготовку с нанесенной шихтой вводят в индуктор ТВЧ установки. Конструкция индуктора и расположение детали зависит от конфигурации наплавляемой поверхности. При прохождении ТВЧ через контур индуктора в поверхностных слоях детали возникают токи Фуко и наружный слой металла нагревается. Шихта, расположенная между индуктором и нагреваемой поверхностью детали, вследствие большого электрического сопротивления и мелких размеров частиц слабо реагирует на воздействие переменного электромагнитного поля. Она нагревается главным образом за счет переменного электромагнитного поля. Она нагревается главным образом за счет теплопередачи от основного металла. Температура плавления шихты на 100–150 ^оС ниже температуры плавления основного металла, а скорость нагрева поверхности детали – выше скорости теплоотвода в глубину детали. Флюс шихты плавится, взаимодействует с оксидами и разрушает их на поверхности основного металла и порошкообразного металлического сплава. Флюс также предотвращает последующее образование оксидов и сдерживает теплоотдачу в окружающую среду. Дальнейшее повышение температуры шихты вызывает плавление ее металлической части. При этом жидкий сплав вытесняет отработавший флюс с наплавленной поверхности. Высокая температур нагрева материала и различный химический состав флюса, металлического сплава и основного металла способствуют развитию диффузии, которая обеспечивает прочное соединение наплавленного слоя с поверхности детали. После всплытия шлаков индукционный нагрев детали прекращают. Деталь охлаждают на воздухе или песке.

При индукционной наплавке проплавление основного материала незначительное. Высокая температура нагрева материала и различный химический состав флюса, шихты и основного металла способствуют развитию диффузии, которая обеспечивает прочное соединение наплавленного покрытия с поверхностью заготовки.

Основная часть технологического процесса наплавки протекает в индукторе, частями которого являются: индуктирующий провод, токоподводящие шины, контактные колодки для соединения индуктора с понижающим трансформатором и устройство для подачи воды. В зависимости от формы индуктирующего провода индукторы применяют для нагрева цилиндрических, плоских или поверхностей сложной формы. Индуктирующий провод обычно изготавливают из медных трубок. В процессе работы индуктор охлаждается проточной водой. Форма и размеры индуктора зависят от условий нагрева, величины и конфигурации нагреваемой поверхности, а также мощности и частоты источника питания. На работу индуктора влияют ширина индуктирующего провода и величина зазора между индуктирующим проводом и нагреваемой поверхностью.

В зависимости от соотношения требуемой мощности нагрева заготовки и мощности источника выбирают один из способов индукционной наплавки:

- одновременный, при котором наплавляемая поверхность полностью помещена в индуктор;

- последовательный, когда поочередно нагреваются отдельные участки заготовки;

- непрерывно-последовательный – наплавляемая поверхность перемещается в поле индуктора.

Ширина индуктирующего провода при одновременном способе нагрева определяется требуемой шириной зоны нагрева. В этом случае индуктированный ток сосредоточен в зоне, почти равной ширине индуктирующего провода. Обычно ширина зоны нагрева меньше ширины индуктирующего провода на 10–20 %.

Материалы. Шихта состоит из магнитного порошкообразного твердого сплава и немагнитного флюса со связующим веществом. Если применяют самофлюсующийся порошок, то флюс не требуется.

В качестве материалов для наплавки применяют высоколегированные сплавы на основе железа – чугуны У30Х28Н4С4 (сормайт № 1), У45Х35Г3Р2С (ФБХ-6-2), У35Х2Н5 (нихард), Ж4НДХ-15-7-2 (нирезист); сплавы на основе кобальта, вольфрама и никеля – стеллиты В2К и В3К; композиционные материалы (псевдосплавы) на основе карбидов вольфрама (релиты) и хрома (табл. 11.1).