Плазменное напыление

При плазменном напыление порошковых сплавов происходит расплавление частиц газопорошковой взвеси, находящейся в подаваемой струе пламени горелки (рис. 1,2). Они размягчаются, расплавляются, ускоряются и направляются к восстанавливаемой поверхности детали. При этом в центре частицы температура плавления составляет примерно 90% от температуры плавления сплава.

При столкновении с поверхностью быстролетящие распыленные частицы деформируются, растекаются, связываются с основным металлом и друг с другом.

Пористость значительна и составляет 20-25%. После напыления слоя необходимой толщины при отключении подачи порошка нейтральным пламенем горелки оплавляются и расплавляются сцепленные друг с другом и с металлом частицы, обеспечиваются диффузионно-металлургические связи покрытия и металла восстанавливаемой детали. Устраняется пористость напыленного слоя, пропорционально уменьшается его толщина. В целях сокращения ввода тепла целесообразно напылять поверхность последовательно, небольшими участками и сразу оплавлять их. Для порошковых самофлюсующихся сплавов характерно то, что их точка плавления на 200-400°С ниже точки плавления стали и чугуна. Оплавление (образование диффузионной связи покрытия с поверхностью) производится без расплавления основного металла. Характеристики некоторых отечественных самофлюсующихся порошков приведены в табл.1. Установлено, что к поверхностям, подвергающимся химико-термической обработке самофлюсующиеся порошки не пристают, диффузии между напыленным слоем и основным металлом не происходит. Пассивные цилиндрические детали диаметром свыше 100 мм восстанавливать плазменным напылением с оплавлением невыгодно, так как для оплавления слоя требуется большое количество тепла. Среди главных недостатков нанесения порошковых самофлюсующихся материалов — низкая пластичность (меньше 2%). Это не вызывает затруднений, если основной материал имеет такую- же пластичность (например, серый чугун). Одним из способов повышения пластичности наплавляемого металла является прибавление чистого никеля, который не растворяется полностью в застывшем присадочном металле. Наличие сферических частиц никеля увеличивает пластичность до 5%.

плазменное напыление

Рис.1. Схема нанесения порошкового покрытия- газовой струей: I — основной метали;

— защитный напыленный слой;

— зона теплового нагрева;

— зона плавления; 5 — расплавленный порошок; 6 — вона диффузии; 7 — нанесенное покрытие

плазменное напыление

Рис.2. Принципиальная схема газоплазменной горелка I — сопло; 2 — капая привода газопорошковой взвеси; 3 — зова ввода порошка; 5 — бачок для порошка; 6 — клапан подачи пороша; 7 — газовый инжектор (смеситель); 8 — защитный щиток; 9 — газовый клапан; 10 — ацетиленовый вентиль; II — кислородный вентиль; 4 — трубка подачи порошка.

Источники тепловой энергии плазменных горелок — кислород и ацетилен, получаемые в баллонах. При внедрении этих процессов в Щекинском РТП Тульской области и других использовался также ацетилен, получаемый с генераторной станции. Для распыления покрытий могут применяться газовые горелки типа ГН-2, имеющие следующие параметры: масса ( с порошком )- 1 кг, номер мундштука — 4, давление кислорода,- 2-4 кг/см2, ацетилена — 0,1-0,25, расход кислорода — 440-470 л/ч, ацетилена — 400- 700 л/ч, порошка — 2-3 кг/ч, грануляция его — до 120 мм.

Технология восстановления изношенных поверхностей деталей из сталей нелегированных конструкционных, нелегируемых цементируемых, низколегированных улучшенных, высоколегированных конструкционных и полученных литьем серого чугуна с волокнистым графитом включает следующие важные операции.

Подготовка изношенных поверхностей при плазменном напылении. Процесс заключается в придании деталям правильной геометрической формы и устранении неровностей, вызванных их износом в процессе эксплуатации. Подготовка начинается с определения необходимой толщины слоя (табл.2). Стальные детали предварительно обрабатывают точением или фрезерованием. Шлифование применяется для обработки закаленных цементированных поверхностей. Для повышения прочности сцепления расплавленных частиц поверхности основного металла придают необходимую шероховатость путем обработки корундом, стальной дробью, нарезанием резьбы и т.п. Жировые и масляные пятна удаляют чистой тряпочкой, смоченной в ацетоне. Вторичное использование растворителя не рекомендуется. Если поверхность детали была подвергнута химико-термической обработке, то перед напылением порошка образованный слой (0,4 мм) вместе с поверхностным усталостным слоем (0,7 мм) удаляют механической обработкой или шлифованием (табл.3). Поверхности, не подлежащие напылению, защищают экраном из жести и других металлов или специальными пастами. Масляные отверстия закрывают графитовыми заглушками, которые должны выступать над поверхностью примерно на 1 мм.

Плазменное напыление и оплавление порошковых материалов. Перед началом плазменного напыления восстанавливаемую поверхность нагревают пламенем газовой горелки до 100-150°С для удаления следов влаги и устранения возможности образования конденсата. Предварительный подогрев производится слабым пламенем с избытком ацетилена, что предотвращает окисление поверхности. Все эти операции проводят в возможно короткий промежуток времени после подготовки поверхности перед напылением (лучше не более 2-4 ч), допускается разрыв до 24 ч. Чем больше интер вал до напыления порошкового материала, тем меньше активность восстанавливаемой поверхности детали, что нежелательно.

Таблица 2

Расход порошкового сплава в граммах при газопламенном напылении металла при толщине слоя I мм

Диаметр шейки, мм     Ширина шейки. ш        
20 30 40 50 60 70 80 90 100
30 22,4 33,6 44,8 56 67,2 78,5 89,7 100,8 112,1
40 29,4 44 f0 58,7 73,4 99,1 102,7 117,4 132,1 146,8
50 38,3 54*4 72,6 90,7 108,9 127 145,2 163,2 181,5
60 42,3 63,4 84,5 105,7 126,8 147,9 169,1 190,2 211,4
70 48,7 70,1 93,5 116,8 140,2 163,5 186,9 210,3 233,6
80 49,1 73,7 98,2 122,8 147,4 171,9 196,5 221,1 245,6
90 52,8 79,3 105,7 132,2 158,6 185,0 211,5 273,9 264,3
100 96,1 144,1 192,2 240,2 288,2 336,2 384,3 432,4 480,4

Температуру поверхности при плазменном напылении можно контролировать контактным термометром или набором индикаторных красок и карандашей, предварительный подогрев осуществляется газораспылительной горелкой. Перед зажиганием пламени проверяют герметичность уплотнений газовой горелки, надежность работы газовых систем, вентилей и т.д.

Только в случае надежной подачи газов горелка может использоваться для напыления. Затем контролируют давление газов, регулируя их соотношение для образования нужного пламени. Бачок для порошка после заполнения закрывают крышкой. Подогретую пламенем поверхность переменным направлением движения распылительной горелки равномерно наносят порошок. Расстояние напыления 150-200 см.

При достижении требуемой толщины напыленного слоя подачу порошка прекращают, пламенем оплавляют и сплавляют его с основным металлом. При этом на поверхности, раскаленной до ярко-красного цвета, образуется плотное покрытие с характерным блеском типа «слезы». По окончании работы пламя гасят, оставшиеся в каналах инжекционного аппарата частицы порошка удаляют продувкой газа.

После закрытия вентилей газовых баллонов необходимо открыть клапан горелки и ослабить винты регуляторов давления. Напыление и оплавление покрытий на деталях типа «вал» можно производить вращением их в станках, приспособлениях и т.п. Ввиду того, что качество процесса с последующим плавлением порошковых самофлюсующихся материалов зависит от их сцепления с основным металлом, необходимо обеспечить условия для диффузионного сцепления.

В большинстве случаев эти слои можно удалить шлифованием, а для стали с содержанием хрома необходимо применение специальных флюсов. Однако самой частой причиной некачественного сцепления являются окиси, так как они могут образоваться на поверхности быстрее, чем наплавленный слой, по мере повышения температуры детали. Поэтому не следует допускать повышения температуры основного металла более 300°С. Предварительный подогрев решает эту задачу.

Чистую подготовленную поверхность нагревают до 150°С и на нее направляют тонкую струю порошка. Затем этот слой оплавляют. Образуется слой толщиной 0,1-0,125 мм, защищающий поверхность основного металла от атмосферных влияний. Оплавленный слой отличается высокой прочностью диффузионного сцепления. При восстановлении крупных деталей или заготовок оплавление покрытия с основой может обеспечиваться и от других источников тепла, например, в печах с использованием ТВЧ при плазменном напылении.

Толщина наплавленного слоя. Один из важнейших факторов при наплавлении — влияние толщины слоя нанесенного покрытия на возникновение напряжений в системе «покрытие-основа». Опыт показывает, что во избежание растрескивания наплавленного металла следует считать предельным слой толщиной 3 мм и шириной 13 мм.

При увеличении ширины шва его толщину нужно уменьшить, причем рекомендуется следующее соотношение размеров: 3×13; 1,6-25; 0,8×50 мм и т.д. Важна и длина наплавленного шва. Если есть возможность применения даже органического предварительного нагрева, проблема растрескивания наплавленного материала исключается, хроме случаев напыления покрытий очень большой толщины (табл. 4). Для получения необходимых размеров восстанавливаемой поверхности толщину напыленного слоя следует увеличить на 25%, так как толщина его уменьшается вследствие оплавления примерно на 20%. Необходимо при этом учитывать припуск.

Механическая обработка оплавленных слоев. Получаемое покрытие отличается ровной поверхностью, поэтому технологию мембранной обработки определяют марка порошкового сплава и величины допусков. Размерную обработку целесообразно производить через 24 ч после нанесения покрытия. Во многих случаях достаточно токарной обработки (рис.3)

 

плазменное напылениеплазменное напыление
Рис.3 Механическая обработка резцами нанесенного на деталь слоя покрытия.

Газотермическое напыление

газотермическое напыление

Анализ дефектов вышедших из строя тракторов показывает, что 15% приходится на детали, обладающие недостаточной прочностью, и 85% — на детали c низкой износостойкостью. Один из наиболее перспективных технологических процессов повышения износостойкости деталей — газотермическое напыление высокопрочными сплавами.

На Челябинском тракторном заводе проведены исследования по формированию и изучению свойств газотермических покрытий, а также стендовые и эксплуатационные испытания упрочненных деталей.

В числе наиболее изнашиваемых деталей трактора — рычаг управления поворотом однорычажного механизма. В процессе эксплуатации вследствие трения рычага о направляющий кронштейн происходит нарушение геометрической формы рычага, ослабляется его сечение и в результате происходит разрушение детали. Как показывает опыт эксплуатации тракторов семейства ЧТЗ, серийные рычаги без упрочнения выходят из строя после 3000-3400 моточасов работы.

Для упрочнения рычага и ряда других деталей было выбрано плазменное напыление как наиболее универсальный и перспективный метод. Покрытие, нанесенное газотермическим напылением, по прочности сцепления с подложкой, плотности, износостойкости превосходит покрытия, получаемые другими методами [1].

Исследования последних лет [2] свидетельствуют о том, что наиболее высокой износостойкостью обладают плазменные покрытия, формированные из высокопрочных самофлюсующихся сплавов, с последующим оплавлением. Такие покрытия, как показала практика, особенно эффективны при работе детали в условиях ударных и знакопеременных нагрузок. Оплавление слоя после плазменного напыления создает условия для активной диффузии компонентов в самом покрытии, между ним и подложкой, в результате чего значительно повышается прочность сцепления покрытия с основным металлом. В самом покрытии при этом протекают процессы выравнивания прочностных характеристик внутри слоя, что благоприятно сказывается на выносливости напыленного слоя при работе упрочненной детали.

Исследованы условия формирования покрытий: прочность сцепления различных материалов с подложкой, твердость, износостойкость, технологические свойства напыляемых порошков — текучесть, проплавляемость, равномерность напыленного слоя.

При подборе материала для покрытия исходили из условий минимального износа упрочняемой и сопрягаемой поверхностей. Были опробованы порошки на основе никеля и железа с добавками углерода, кремния, бора, карбида вольфрама, ванадия и др. Идя упрочнения деталей выбраны износостойкие самофлюсующиеся сплавы ПР-170Н7С4Р4 и HP-H67XI8C5P5 по ТУ 14-1-3785-84.

Исследования технологичности напыления порошков проводили на образцах размером 25x25x5 мм. Состояние образцов оценивали при оплавлении кислородноацетиленовой горелкой, ТВЧ и в камерной электропечи. Твердость напыленных оплавленных покрытий не зависит от способа оплавления, однако предпочтение в условиях ЧТЗ было отдано оплавлению ТВЧ.

Прочность сцепления напыленного слоя с подложкой в зависимости от способа оплавления оценивали испытанием плоских образцов на изгиб. При достижении угла 93-105° в оплавленном покрытии появлялось множество трещин, однако отслоения покрытия от основы не наблюдалось. Прочность сцепления непосредственно после плазменного напыления определяли по клеевой методике на образцах. Металлографические исследования выявили однородность структуры по толщине напыленного слоя и высокую плотность его прилегания к подложке при наличии отдельных микропор. Микротвердость покрытия из сплава ПР-П7СХ17С4Р4, измеренная на приборе ПМТ-З по торцевому шлифу образца, составила 91-103 ГПа.

Проведены длительные стендовые и эксплуатационные испытания деталей, упрочненных по разработанной технологии. При внедрении процесса в производство подбирали номенклатуру деталей, исходя из возможности исключения последующей механической обработки, что экономически наиболее выгодно, Этим требованиям удовлетворяют детали однорычажного механизма трактора.

Например, технологический процесс газотермического напыления рычага управления состоит из следующих операций: подготовка поверхности под напыление, плазменное нанесение покрытия и оплавление на установке ТВЧ.

 

Режим плазменного газотермического напыления

Рабочее напряжение, В    45-50

Рабочий ток, А                  300-340

Расход газa, м3/с.

плазмообразующего         0,00025

на подачу порошка           0,00005

дистанция напыления, м  0,09-0,12

Внедрение технологического процесса газотермического напыления и упрочнения деталей и технологической оснастки позволяет в 2-3 раза повысить их ресурс. Экономический эффект от внедрения этого процесса может быть очень большим.

Список литературы

1.Хасуй А. Техника напыления. — М. Машиностроение, 1975.

2.Яковлев Г.М., Гайдукевич Н.П. Износостойкость и коэффициент трения литых сплавов. — В об.: Прогрессивная технология машиностроения; Минск.* Вышейшая школа, 1970, с. 11-17.