12.4. Восстановление деталей машин плазменными методами

Плазменные методы восстановления деталей машин основываются на использова­нии теплофизических свойств ионизированного газа (плазмы). Так как выделить плазму в чистом виде весьма трудно, то для технических целей используют дуговой разряд, обогащенный плазмой, т.е. в дуговом разряде наряду с заряженными частицами (ионами и электронами) содержатся и нейтральные частицы. Такое состояние газа называется низкотемпературной плазмой (температура на выходе из сопла плазмотрона около 5000 ... 7000 К).

В качестве плазмообразующих газов самостоятельно могут быть использованы ар­гон, азот, гелий, аммиак. Водород и кислород применяются в смеси с аргоном, азотом.

В комплект оборудования для плазменной обработки входят следующие узлы: плазмотрон; механизм транспортирования порошковых и проволочных материалов; пульт управления, в котором сосредоточены измерительные, регулировочные и блоки­ровочные устройства; источник питания дуги; источник и приемник охлаждающей во­ды; комплекс коммуникаций, соединяющий отдельные узлы установки и обеспечиваю­щий подвод к плазмотрону газов, электроэнергии, охлаждающей воды.

Плазменное напыление. Для восстановления изношенных поверхностей плазмен­ным напылением широкое применение получили самофлюсующиеся сплавы системы Ni-Cr-B-Si, в которые нередко добавляют карбиды, бориды тугоплавких металлов (вольфрама, молибдена, ванадия) для образования композиционных сплавов с более вы­сокими физико-химическими свойствами. Весьма эффективно использование биметал­лических терм о реагирующих порошковых сплавов (например, Al + Ni), обладающих экзотермическими свойствами, повышающими прочность сцепления покрытия с осно­вой и физико-химические свойства в целом. Их применяют в качестве подслоя или для напыления основного слоя.

Технологический процесс восстановления деталей плазменным напылением вклю­чает следующие операции: подготовка порошка и поверхности детали, напыление и ме­ханическая обработка напыленного покрытия.

Подготовка порошка заключается в его сушке при температуре 150 ... 200 °С и про­сеивании через сито с размером ячеек, не превышающим 200 мкм.

Подготовке поверхности детали к напылению должно уделяться первостепенное значение, поскольку от ее качества в значительной мере зависит прочность сцепления порошка с поверхностью детали. Детали, подлежащие напылению, очищают от грязи, моют, просушивают, после чего подвергают механической обработке, с целью создания на поверхности необходимой шероховатости, которая оказывает существенное влияние не только на прочность сцепления напыляемого материала с подложкой, но и на уста-

Рис. 12.7. Плазменное напыление порошком (в) и проволокой (б):

1 - подвод плазмообразующего газа; 2 - катод плаз матрона;

3 - корпус катода; 4 - изолятор; 5 - корпус анода; 6 - порошковый питатель;

7- подвод газа, транспортирующего порошок; 8- плазменная струя; 9- источник питания (И П)

лостную прочность восстанавливаемой детали. Наиболее рациональный метод создания шероховатости - дробеструйная обработка чугунной крошкой с размером частиц 1 ... 2 мм при давлении воздуха 0,5 ... 0,6 МПа. Напылять покрытия следует сразу после дро­беструйной обработки, так как уже через 2 ч ее эффективность уменьшается из-за увеличения па обрабатываемой поверхности оксидной пленки.

При плазменном напылении в качестве напыляемых материалов применяют по­рошки (рис. 12.7, а), проволоки и прутки (рис. 12.7, б).

Более технологичным является использование порошков. Частицы порошка, пода­ваемые в зону плазмообразования, нагреваются в плазменной струе до оплавления или расплавления и направляются с определенной скоростью (50 ... 200 м/с) на поверхность детали, ударяясь о которую, деформируются, растекаются, кристаллизуются, образуя слоистые покрытия.

В зависимости от свойств напыляемых металлических частиц, способа и режима напыления частицы могут достигать подложки в жидком, пластичном или твердом со­стоянии. Экспериментально определено, что для получения более высокой прочности сцепления частицы должны быть нагреты не ниже 90 % температуры их плавления.

Повышению прочности сцепления способствует также предварительное напыление подслоя толщиной не более 0,1 мм из металлов (сплавов), образующих прочные химиче­ские связи в результате взаимодействия с подложкой (молибден, сплавы на никелевой основе, содержащие алюминий, титан и др.). Весьма перспективно напыление компо­зиционным порошком (NI-A1): в результате алюмотермической реакции образуется по­крытие - алюминид никеля, отличающийся высокой стойкостью к окислению и более высокой температурой плавления (1640 °С), чем составляющие его металлы.

Существенным недостатком напыляемых покрытий является их пористость, что объясняется небольшой площадью контакта, как между частицами, так и между части­цами и подложкой. При воздействии на такой слой сравнительно невысоких нагрузок

Рис. 12.8. Плазменное напыление с последующим оплавлением:

1 - ИП; 2 — балластный реостат; 3 - порошковый питатель;

4 - плазматрон; 5 . 6- ввод и вывод охлаждающей жидкости;

7 — ввод наплавляемого порошка; 8 - напыляемая деталь

велика вероятность его отслоения. Для улучшения качества напыленных покрытий их подвергают последующему оплавлению (рис. 12.8), Для последующего оплавления при­годны те напыленные твердые сплавы, которые обладают способностью самофлюсова­ния. Это сплавы на никелевой основе. Наряду с плазменным нагревом для оплавления покрытий используют газопламенный, аргонодуговой способы и токи высокой частоты. Твердость оплавленных порошковых смесей составляет49 ... 53 HRC, износостойкость в 5 раз превышает износостойкость стали 45, сопротивление усталости повышается да 20 ...25%, прочность сцепления покрытия с подложкой достигает 400 МПа.

Однако несмотря на то, что способ напыления с оплавлением позволяет получать высококачественные износостойкие покрытия с необходимым припуском под механиче­скую обработку, широкого применения для восстановления деталей он не получил из-за следующих недостатков. Процесс напыления с оплавлением является трудоемким и по Производительности уступает процессам получения покрытий наплавкой и электроли­тическими способами. Применение дорогих само флюсующихся порошков значительно повышает себестоимость восстановления. Нагрев покрытия и детали при оплавлении достигает 1100 °С, что выше температур фазовых превращений, поэтому все недостат­ки, характерные для наплавки, присуши и этому способу.

Методами плазменного напыления можно получить покрытия толщиной в несколько миллиметров, однако с увеличением толщины слоя свыше 1 ... 1,3 мм прочность его сцепления с подложкой снижается, поэтому наиболее целесообразно восстанавливать детали с износом, не превышающим 0,4 ... 0,6 мм.

Плазменное напыление целесообразно применять для восстановления деталей, не подверженных значительным динамическим нагрузкам; изготовленных из чугуна и алюминия, трудно поддающихся восстановлению другими способами; изготовленных из любых сплавов, но при восстановлении которых не допускаются деформации. К та­ким деталям относятся корпусные детали автомобилей, тракторов, у которых изнаши­ваются посадочные места; гнезда блока под вкладыши коренных подшипников, гнезда картеров коробок передач, опорные буртики и посадочные пояски гильз цилиндров, поверхность нижней головки шатуна и др. Значительную номенклатуру составляют валы, изготовленные из чугуна, стали 45, легированных сталей, с изношенными посадочными местами: валы коробок передач, ходовой части машин и др. Плазменное нанесение по­крытий экономически целесообразно при восстановлении большого количества деталей.

Плазменная наплавка. Более технологичным и производительным является способ плазменной наплавки, который заключается в создании на восстанавливаемой поверхно­сти под действием плазменной струи расплава присадочного материала. После затверде­вания формируется наплавленный слой с заданными физико-механическими свойства­ми.

При упрочнении и восстановлении деталей в зависимости от их формы, условий работы применяют несколько разновидностей плазменной наплавки, отличающихся ти­пом присадочного материала, способом его подачи на изношенную поверхность и видом используемой сжатой дуги. При плазменной наплавке применяют дугу прямого действия - дуга образуется между вольфрамовым электродом и токоведущей присадочной про­волокой при электрически нейтральной детали.

Плазменную наплавку можно выполнять одиночными валиками, при наплавке ци­линдрических деталей по винтовой линии, а также с применением колебательного меха­низма (для широких слоев).

В качестве наплавочных материалов широко применяют следующие марки порош­ковых сплавов: ПГ-Cl, ПГ-УС25, ПГ-С27, ПГ-ФБХ62, ПГ-Л101, а также различные композиции этих сплавов с хромоникелевым порошковым сплавом ПГ-СР4. Ко всем сплавам добавляют 6 ... 8 % порошкового алюминия. Альтернатняой традиционным сплавам в настоящее время стало создание диффузионно-легированных (ДЛ) самофлю- сующихся порошков, состоящих из ядра (серийно выпускаемые металлические порош­ки, измельченная металлическая стружка) и диффузионной оболочки, содержащей бор и кремний. ДЛ-порошки при меньшей (в несколько раз) стоимости позволяют эффективно восстанавливать и упрочнять функциональные поверхности деталей. Грануляция по­рошков для плазменной наплавки должна находиться в пределах 200 ... 600 мкм. При­менение мелких частиц приводит к более интенсивному окислению и их частичному выгоранию. Кроме того, при их использовании часто забивается сопло плазмотрона.

Для предотвращения окисления металла в ванне расплава применяют подачу в зону наплавки защитных газов - аргона, азота или углекислого газа.

Универсальный способ плазменной наплавки - наплавка с вдуванием порошка в дугу, который, частично оплавляясь, переносится на поверхность изделия, оплавляемого дугой прямого действия (рис. 12.9). За счет широкого диапазона регулирования теплоты, идущей на нагрев порошка и детали, этот способ позволяет получать наплавленные слои высокого качества с минимальной глубиной проплавления. К недостаткам способа следует отнести сложность конструкций плазмотрона, его низкую надежность и боль­шие размеры, а также значительный расход газа.

При использовании наплавочной проволоки наиболее эффективна наплавка токо­ведущей проволокой. В этом случае сжатая дуга используется главным образом для плавления проволоки и в меньшей степени для подогрева детали (рис. 12.10). На­плавленный слой в основном образуется за счет теплоты перегретого наплавленно­го металла, смачивающего поверхность подогретого основного металла. Доля участия основного металла в первом наплавленном слое не превышает 4 %, что важно для обеспечения требуемых физико-механических свойств наплавки.

Наплавка прямой дугой токоведущей проволокой увеличивает производительность, но при этом возрастает глубина проплавления основного металла.

Заслуживает внимания способ плазменной наплавки двумя плавящимися проволо­ками, подключенными последовательно к источнику переменного тока, с помощью ко­торого они нагреваются до соответствующих температур и подаются в хвостовую часть ванны расплавленного металла, образованной сжатой дугой прямого действия (рис. 12.11). Производительность этого способа достигает 30 кг/ч.

Плазменную наплавку широко применяют для восстановления изношенных по­верхностей следующих деталей: стальных крестовин карданных шарниров и сателлитов дифференциалов; клапанов, распределительных и коленчатых валов автотракторных двигателей; алюминиевых поршней двигателей; чугунных корпусных деталей; изнаши­вающихся поверхностей деталей атомных реакторов; режущих кромок шнекобурильных машин; долот вращательного бурения; зубьев ковшей экскаваторов.

Толщина наплавляемого за несколько проходов материала может достигать 10 мм, однако наиболее эффективны наплавляемые слои до 2 мм при глубине проплавления ос­новного металла до 0,4 ... 0,6 мм. В этом случае обеспечиваются наиболее высокие физи­ко-механические свойства покрытий. Плазменная наплавка позволяет не только наплав­лять изношенные поверхности, но и устранять эксплуатационные дефекты в виде трещин (обычно глубиной до 3 мм).

Эффективность плазменной наплавки во многом определяется характером усло­вий эксплуатации восстановленного изделия и свойствами применяемых наплавочных материалов.

Рис. 12.11. Плазменная наплавка с подачей в ванну двух плавящихся проволок:

] - электродные токоведущие проволоки; 2 — источник переменного тока;

3 — защитное сопло; 4 -источник постоянного тока;

ЯГ - плазмообразующий газ; В - вода; ЗГ- защитный газ

Так, износостойкость клапанов двигателей после наплавки жаропрочными твер­дыми порошковыми сплавами возрастает в 1,8 ... 2 раза, по сравнению с новыми, а при­менение наплавочных порошков на основе релита или спеченного сплава ВК повышает износостойкость муфт геологоразведочных бурильных машин до 6 ... 8 раз.