Плазмове наплавлення

Плазмове наплавлення – це процес нанесення покриття плазмовим струменем, коли деталь вмикається в ланцюг струму навантаження. В цьому випадку за допомогою плазменного струменя нагрівають поверхню оброблюваної деталі і матеріал, який наноситься. Розплавлений матеріал перемішується плазменним струменем, температура якого може сягати 20000 К.

При плазмовому наплавленні на відміну від аргонодугового наплавлення електрична дуга стискається стінками водоохолоджуваного сопла. Газ, який продувається через цю дугу, набуває властивостей плазми – стає іонізованим і електропровідним. Шар газу, який дотикається до стінок сопла, інтенсивно охолоджується, втрачаючи електропровідність і виконує функції електричної та теплової ізоляції, що призводить до зменшення діаметра плазменного струменя, який складає 0,7 діаметра сопла.

В якості плазмоутворюючого газу найчастіше застосовується аргон. Наплавлення із заміною аргону повітря (до 90 %) значно знижує вартість обробки деталей. Для плазмового наплавлення у повітряному середовищі розроблені порошкові сплави на залізній основі, у склад яких входять сильні розкислювачі та нітридоутворюючі елементи.

Щільність енергії, яка передається поверхні, що нагрівається плазмовим струменем, на один-два порядки більша, чим від відкритої нестиснутої дуги, і наближається до щільності енергії, яка передається від електронно-променевих та лазерних джерел тепла. При такій щільності енергії швидкість підведення тепла в деталь більше швидкості теплопередачі в її масу, тому поверхня деталі швидко розплавляється. Процес протікає з малим проплавленням та великим термічним ККД.

Плазмовий струмінь отримують за допомогою плазмотронів, які по різних класифікаційних ознаках утворюють наступні групи:

- по способу взаємодії дугового розряду із виробом (прямої дії, непрямої дії, комбіновані);

- по способу стискання дугового розряду (стінками каналу сопла, газовим потоком та комбіновані);

- по числу дуг (одно- і багатодугові);

- по складу плазмоутворюючих газів (працюючі на інертних газах, нейтральних і кисневовмісних);

- по способу подачі плазмоутворюючого газу (з тангенційною і аксіальною подачею);

- по виду зварного струму (змінного і постійного прямої та зворотної полярності);

- по способу подачі матеріалу, що наноситься (радіальної бокової подачею, осьовою подачею через вольфрамовий електрод).

Найбільше застосування отримали плазмотрони: прямої дії, із комбінованим способом стиснення дугового розряду, однодугові з тангенційною подачею інертного газу, які працюють на постійному струмі прямої полярності із радіальною подачею матеріалу. В плазмотроні розрізняють основну дугу – між анодом і деталлю і допоміжну – між анодом і соплом. Струми обох дуг регулюються баластними реостатами, включені у відповідні ланцюги.

Найбільш теплонавантажені деталі плазмотрона – це електрод і сопло. Матеріал електроду визначається складом плазмоутворюючого середовища. В плазмотронах, які працюють із застосуванням інертних та нейтральних газів (аргон, азот, гелій, суміші: аргон і азот, аргон і водень, азот і водень), використовують електроди з вольфраму. В плазмотронах, що працюють в кисневовмісних середовищах, застосовують катоди з гафнію і цирконію. Водоохолоджувані сопла виготовляють із міді. Сопло, розраховане на струм силою 260…310 А, моє діаметр отвору для виходу плазми 3…4 мм. Діаметр насадки для подачі захисного газу 10…13 мм.

Переваги плазмового наплавлення у порівнянні із іншими способами нанесення покрить полягає у наступному:

- гладка і рівна поверхня покрить дозволяє залишити припуск на обробку 0,4…0,9 мм;

- мала глибина проплавлення (0,3…3,5 мм) і невелика зона термічного впливу (3…6 мм) обумовлюють долю основного металу в покритті £ 5 %;

- малий вклад тепла у оброблювану деталь забезпечує незначні деформації і термічні впливи на структуру основи;

- забезпечується висока зносостійкість покриття;

- спостерігається зниження втомної міцності деталі на 10…15 %, що набагато менше, чим при використанні деяких інших видів наплавлення.

Плазмове наплавлення знайшла застосування при відновленні відповідальних деталей, наприклад: колінчасті, кулачкові і розподільчі вали, вали турбокомпресорів, осі, хрестовини карданних шарнірів, напрямні обладнання, щоки і сідла засувок, шнеки екструдерів і інше. Область застосування способу – нанесення тонкошарових покрить на навантажені деталі з малим зносом.

При плазмовому наплавлені отримують покриття товщиною 0,2…6,5 мм і шириною 1,2…45 мм. Якщо наноситься легкоплавкий матеріал, то можливе нанесення покриття із проплавленням дуже тонких поверхневих шарів без оплавлення поверхні.

Термічний ККД наплавлення у 2…3 рази вищий, чим при електродуговому процесі. Продуктивність процесу – 0,4…5,5 кг/год.

Розрізняють наплавлення по гвинтовій лінії із безперервною подачею плазмотрона і широкошарове наплавлення з його гармонічними коливаннями відносно осі обертання деталі. Для нанесення покрить товщиною > 4 мм застосовують багатошарове наплавлення.

Матеріали для плазмового наплавлення достатньо різноманітні: залізовуглецеві високолеговані сплави, колмоної, стеліти, інструментальні і швидкоріжучі сталі. Застосовуються прутки, дроти, порошки і комбінації матеріалів.

При наплавленні сідел клапанів (в тому числі і при виготовленні двигунів) застосовують хромокобальтові сплави – стеліти, які володіють більш високою жаростійкістю при температурі 600…650 ^оС, чим самофлюсуючі хромонікелеві сплави, леговані бором та кремнієм.

Міцні та в’язкі покриття отримуються із сталей, легованих ванадієм. Ванадій володіє високою спорідненістю до вуглецю; його карбіди зберігають стехіометричну будову і високу твердість в процесі наплавлення. Нерозплавлені частинки карбіду ванадію стимулюють утворення із розплаву мілкозернистоїл структури. Висока твердість карбідів ванадію (2900…2940 HV) забезпечує високу зносостійкість покриття.

Добрі результати при відновленні та зміцненні робочих поверхонь деталей плазмовим наплавленням дає застосування порошкових матеріалів. В цьому випадку:

- можна змінювати в широких межах товщини покриття (0,1…7 мм), швидкості (0,5…25 м/хв) і продуктивності наплавлення (0,6…15 кг/год), ширини шва (1…45 мм) і складу наплавленого металу за рахунок зміни застосовуваних матеріалів і режимів процесу;

- забезпечується простота керування введенням тепла в матеріал деталі і глибиною його проплавлення незалежно від подачі матеріалу;

- полегшення вибору присадкового матеріалу для отримання покрить (в тому числі композиційних) різних складів та структур із заданими властивостями шляхом змішування різних порошків;

- досягається мінімальний припуск на механічну обробку;

- можлива автоматизація процесу.

Широко застосовуються самофлюсуючі сплави на основі нікелю (ПР-Н73Х16С3Р3 або ПР-Н70Х17С4Р4) з температурою плавлення 1000…1100 ^оС. В цьому випадку створюються локальні ділянки із металургійним зв’язком покриття з основою, а перемішування наплавленого металу з основним мінімальне. Щоби збільшити термічний ККД наплавлення і знизити тепло вкладення в деталь, наплавлення проводиться із малим кроком подачі при великій швидкості наплавлення. У якості матеріалу для наплавлення поверхонь тертя рекомендується матеріал Х5, який має склад: 0,7 % С, 4,8…5,5 % Cr, 1,0…1,3 % V, 3,5…4,2 % Mo, 0,9…1,2 % Mn, 0,6…0,8 % Si, 0,2…0,5 %Nb, 0,2…0,3 % B. Твердість покриття 60…62 HRC.

Оптимальний розмір частинок порошку 60…100 мкм. Краще подавати присадковий порошок вздовж осі плазменного струменя через отвір в аноді, у цьому випадку і повністю розплавляються частинки розміром 200…250 мкм, і створюються найкращі умови для розплавлення і формування покриття.

Високі значення термічного ККД (до 0,44) плазмового наплавлення і зменшення вкладення тепла в матеріал деталі досягаються при виконанні двох вимог. По-перше, частинки повинні розплавлюватись у плазменній дузі і попадати на поверхню деталі у рідкому стані. Якщо частинки попадають на поверхню у твердому стані, то потрібен час для їх розплавлення безпосередньо у зварній ванні, що призводить до збільшення її розмірів і, відповідно, глибини проплавлення. По-друге, частинки повинні переміщуватися близько до осі плазмового струменя. Рух частинок по периферії струменя і поза ним призводить не тільки до втрат порошку, але і до дефектів покриття. Цим пояснюється найбільша теплова ефективність плазмотронів із аксіальним введенням порошку.

Температура наплавлюваної поверхні деталі змінюється під дією тепла попереднього підігріву, тепла від попередніх валиків і тепла валика, який наноситься в даний момент часу. Через деякий час відведення тепла врівноважується з його підведенням, що приводить до досягнення матеріалом деталі теплового насичення. Підвищення термічного ККД плазмового наплавлення і виключення перегріву деталі забезпечуються попереднім підігрівом деталі і обмеженням потужності плазмотрона приблизно на 40 % безпосередньо у процесі наплавлення. Це відноситься і до плазмово-порошкового наплавлення, теплова потужність якого може регулюватися незалежно від витрат порошку.

Режими плазмово-порошкового наплавлення типових деталей при їх відновленні – зміцненні приведені в таблиці 5.9. Оптимальні розміри і форма валиків наплавлення отримуються при значенні погонної енергії 1600…1700 кДж/м.

Комбінований спосіб плазмового наплавлення за рахунок подачі у ванну порошку і струмоведучого дроту забезпечує товщину наплавленого шару до 4 мм за один хід і широку можливість регулювання складу наплавленого металу і термічного циклу наплавлення, виключаючи відбілювання та тріщини. Спосіб знайшов застосування для повністю зношених чавунних колінчастих валів.

Таблиця 5.9 - Режими плазменно-порошкового наплавлення

Деталь	Матеріал	I	U	G	d
Розподільчий вал	ПР-Н70Х17С4Р4	140…150	35…38		0,22
Шток гідроциліндра	ПР-ХН80СР2				0,64
Ролик прокатного стану	ПГ-СР3	160…180	35…37		До 2
Розподільчий вал (вершина кулачків)	ПГ-ФБХ6-2	140…150	30…35	8…12
Колінчастий вал із чавуну ВЧ-50	Fe-основа, 1,6 % Mn, 0,4 % B, 2,4 % Ni, 1,2 % Cu, 0,6 % Mo	220…250		40…50	До 3
Лезо ножового барабану	ПР-10Р6М5				До 4
Заготовка кінцевих фрез				3,5
Дослідні зразки	Стелліт 6 із карбідами ванадію				До 2
Умовні позначення: I - сила струму, А; U - напруга, В; G - витрати порошку, г/хв; d - товщина покриття, мм.