Методическое пособие 631

В качестве основных флюсов также используются углекислые соли натрия и калия. Связывание кислых оксидов можно видеть на примере следующей реакции:

2К2СОз + SiO2= (К2O)2 SiO2+ 2СО2.

Введение раскислителей посредством флюсов имеет место, например, при сварке (наплавке) меди, когда применяются фосфорнокислые легко распадающиеся при сварочных температурах соли. Освобожденный при этом фосфор восстанавливает окислы меди.

При сварке Аl, Мg и сплавов на их основе раскислить Al2O3 и МgO практически не удается, и для их удаления применяются флюсы на базе галлоидных соединений щелочных металлов.

Чтобы флюсы были достаточно активными при температурах процесса наплавки, они должны находиться либо в газообразном, либо в жидком состоянии, т. е. должны иметь температуру плавления ниже температуры технологического процесса.

Флюсы вводят в реакционное пространство рукой или ложкой, либо предварительно наносят на кромки основного металла в виде раствора или пасты, либо вводят совместно с присадочным металлом или припоем. Разработаны специальные устройства для пневматической подачи порошкообразного флюса непосредственно в пламя. При этом рекомендуется применять растворенный ацетилен.

Для наплавки некоторых цветных металлов и сплавов разработаны газообразные флюсы, представляющие собой легко испаряющуюся бороорганическую жидкость, которая в виде дозированного количества паров смешивается с горючим газом при его пропускании через бачок с жидкостью.

Флюсы, как правило, замедляют технологию, увеличивают ее стоимость и поэтому должны применяться только в тех случаях, когда без них нельзя получить качественного соединения.

81

Наплавочные материалы. Для газовой наплавки стали, чугуна, меди и ее сплавов, сплавов на основе никеля и кобальта в качестве присадочных материалов используют сплошные проволоки и прутки по соответствующим стандартам. В частности, для наплавки стали можно применять наплавочные проволоки (табл. 2.1) по ГОСТ 10543-75 и сварочные (табл. 2.2) по ГОСТ 2246-70, а для наплавки чугуна - литые прутки по ГОСТ 2671-80. Прутки диаметром 4, 6, 8 мм отливают длиной 250 -

450 мм, а диаметром 10, 12, 14, 16 мм - длиной 450 - 700 мм.

Поверхность прутков должна быть чистой и свободной от шлака, формовочной земли, пригара, ржавчины. В изломе прутков не допускаются засорение и шлаковые включения.

Для газовой наплавки деталей, работающих в условиях интенсивного абразивного изнашивания с умеренными ударными нагрузками, производятся литые прутки ПР-С1, тип наплавленного металла У30Х28Н4С3; ПР-С2, тип наплавленного металла У20Х17Н2; ПР-С27, тип наплавленного металла У45Х28Н2ВМ. Диаметр прутков из этих сплавов 4, 6, 8 мм, длина 300 - 500 мм.

Сплавы на основе кобальта (стеллиты) обладают высокой коррозионной стойкостью в различных средах. Они хорошо работают в условиях абразивного и эрозионного изнашивания, ударных нагрузок и трения металла по металлу. При этом кобальтовые сплавы сохраняют свои эксплуатационные свойства при повышенных температурах (до 750 °С). Для газовой наплавки литые прутки на основе кобальта производятся по ГОСТ 21449-75. Литые прутки Пр-В3К (тип наплавленного металла У10К63Х30В5Н2) применяют для наплавки клапанов и седел двигателей внутреннего сгорания, уплотнительных поверхностей деталей энергетической, нефтяной арматуры, ножей и т.п.; прутки Пр-В3К-Р (тип наплавленного металла У20К57Х30В10Н2Р) в основном предназначены для наплавки режущего инструмента, зубьев рамных пил и т.п.

Металл, наплавленный зерновым релитом в трубках и

82

ленточным релитом, отличается особо высокой износостойкостью в условиях интенсивного абразивного изнашивания с умеренными ударными нагрузками. Эти материалы применяют для газовой наплавки шарошек буровых долот, рабочих органов горнодобывающего оборудования и т.п.

Для газопорошковой наплавки используют порошки легкоплавких сплавов на основе никеля («Колмонои») и кобальта (стеллиты) (табл. 2.10). Грануляция частиц для этого способа наплавки меньше 100 мкм. Наплавленный металл на основе никеля обладает коррозионной стойкостью в различных средах и хорошо работает при трении металла по металлу при нормальных и повышенных температурах. Поэтому порошки на основе никеля, так называемые самофлюсующиеся сплавы, ПГ-СР2 (тип наплавленного металла Н80Х15С2Р2), ПГ-СР3 (тип наплавленного металла Н80Х15С3Р3) и ПГ-СР4 (тип наплавленного металла Н80Х17С4Р4) применяют для наплавки уплотнительных поверхностей арматуры тепловых и атомных электростанций и т.п. Порошки на основе кобальта по химич е- скому составу и свойствам соответствуют упомянутым выше литым пруткам кобальтовых сплавов.

Следует отметить, что все наплавочные материалы на основе никеля и кобальта, а также трубчатый и ленточный релиты весьма дорогостоящие, и их применение для наплавки ограничено достаточно узкой номенклатурой деталей.

2.5.3. Технология и техника газовой наплавки

Режимы газовой наплавки зависят от теплофизических свойств металла, габаритных размеров и формы изделия. При разработке технологии наплавки конкретной детали выбирают способ наплавки (левый или правый, рис. 2.19), мощность и состав пламени, угол наклона горелки, марку и диаметр присадочного прутка (проволоки), флюс, порядок наложения швов.

При правом способе пламя направляют на уже наплавленную часть шва, а пруток перемещают вслед за ним по спи-

83

рали. Правый способ наплавки повышает производительность процесса при одновременном снижении удельного расхода газов за счет лучшего использования теплоты пламени.

При левом способе пламя направляют на еще не наплавленный участок металла, а присадочный пруток перемещают перед пламенем. При этом для более полного и равномерного прогрева и перемешивания сварочной ванны горелку и пруток перемещают зигзагообразно. При левом способе производится своеобразный подогрев наплавляемого металла, кроме того, при его использовании лучше формируется шов.

При выборе способа газовой наплавки исходят в основном из расположения наплавляемой поверхности в пространстве. При горизонтальном расположении процесс наплавки можно вести и правым, и левым способами. При наплавке на вертикальные поверхности определяющим является удобство выполнения наплавки и хорошее формирование шва, что лучше обеспечивается при использовании левого способа.

Рис. 2.19. Способы газовой наплавки: а – правый; б - левый

Угол наклона мундштука к наплавляемой поверхности и мощность пламени зависят от толщины и теплофизических свойств металла наплавляемой детали. Чем больше толщина металла, чем выше его температура плавления и теплопроводность, тем большим должен быть угол между наплавляемой

84

поверхностью и горелкой и более высокой должна быть мо щ- ность пламени.

Характер протекающих в сварочной ванне реакций определяет в основном состав средней зоны пламени, зависящий от соотношения газов в горючей смеси.

При наплавке стали и сплавов на основе железа используют, как правило, нейтральное газовое пламя - средняя зона пламени состоит из оксида углерода и водорода. Регулируя состав пламени, можно предупредить образование оксидов железа и легирующих элементов, так как они хорошо восстанавливаются оксидом углерода и водородом. Допустимое соотношение газов в газовом пламени при наплавке стали, когда не происходит окисление сварочной ванны, составляет не более 1,3.

Если наплавленный металл не боится науглероживания (наплавка высокоуглеродистых сталей и сплавов), можно применять науглероживающее газовое пламя, что облегчает начало и ведение процесса наплавки. При наплавке таким пламенем на поверхности металла образуется тонкий науглероженный слой. Этот слой имеет пониженную температуру плавления и легче плавится газовым пламенем. Расплавление тонкого науглероженного слоя, называемое «запотеванием», свидетельствует о готовности основного металла к началу процесса наплавки. Появление запотевания позволяет точно определить момент начала нагрева основного металла до температуры наплавки и точнее выбрать время подачи наплавочного материала. Запотевание основного металла в сочетании с применением присадочного материала создает благоприятные условия для газовой наплавки с минимальным проплавлением.

Наплавку меди и большинства ее сплавов во избежание чрезмерного окисления всегда выполняют нейтральным пламенем. Исключение составляют латуни, газовую наплавку которых производят обычно окислительным пламенем с отношением доли кислорода к ацетилену равным 1,4, при котором на поверхности расплавленной латуни образуется пленка оксида

85

цинка, предохраняющая сварочную ванну от дальнейшего испарения и окисления цинка.

Газовую наплавку сплавов на основе никеля и кобальта, также как и меди, производят нейтральным пламенем. При использовании в качестве присадочного материала трубчатого и ленточного релита газовое пламя должно быть восстановительным.

3. ПРИМЕНЕНИЕ НАПЫЛЕНИЯ ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ

Среди способов нанесения покрытий напылением наиболее широкое применение получили способы плазменного и газопламенного напыления различными порошковыми и проволочными материалами.

Эти способы применяют в различных отраслях промышленности для нанесения покрытий на поверхности деталей с целью получения необходимых свойств, связанных с условиями их работы: жаростойкости, эрозионной и коррозионной стойкости, износостойкости. Однако нанесение покрытий напылением имеет ряд существенных недостатков:

− низкая прочность сцепления с основой не позволяет восстанавливать детали, работающие в условиях ударных нагрузок, с увеличением толщины слоя свыше 1 - 1,3 мм прочность сцепления значительно снижается, поэтому наиболее целесообразно восстанавливать детали с износом, не превышаю-

щим 0,4 - 0,6 мм;

− следует учитывать, что с уменьшением диаметра коэффициент использования порошковых сплавов уменьшается. Так, при напылении на валы диаметром 40 - 60 мм он соста в- ляет 0,55;

− напыляемые порошковые материалы значительно дороже электродных проволок, применяемых в широко распространенных способах автоматической наплавки.

Исходя из вышеизложенного напыление целесообразно

86

применять в первую очередь для восстановления деталей, не подверженных значительным динамическим нагрузкам, изготовленных из чугуна, алюминия, трудно поддающихся восстановлению другими способами; изготовленных из любых сплавов, но при восстановлении которых не допускаются деформации.

Нанесение покрытий напылением порошковыми сплавами экономически целесообразно при восстановлении большого количества деталей.

3.1. Плазменное напыление

Плазменное напыление по сравнению с газопламенным и дуговым имеет ряд преимуществ:

- позволяет наносить покрытия из материалов широкого состава (металлы, сплавы, оксиды, карбиды, нитриды, бориды, пластмассы и их различные композиции) на разнообразный материал основы (металлы, керамика, пластмассы и др.);

- плазменные горелки позволяют в широких пределах регулировать энергетические характеристики плазмы, что облегчает получение покрытий со свойствами, обусловленными требованиями технологии;

-использование в плазменных горелках инертных газов, не содержащих кислорода, способствует уменьшению окисления напыляемого материала и поверхности детали;

-покрытия, полученные плазменным напылением, по фи- зико-механическим свойствам превосходят покрытия, полу-

ченные газопламенным и дуговым способами напыления.

3.1.1. Технология нанесения покрытий

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

Подготовка порошка заключается в сушке на противнях

87

при температуре 150 - 200 °С. Для подбора порошков с определенной дисперсностью гранул их следует просеивать через сито с размерами ячеек, соответствующих размерам требуемых гранул.

Подготовке поверхности детали к напылению придается первостепенное значение, поскольку от ее качества в значительной мере зависит прочность сцепления частиц порошка с поверхностью детали. Детали, подлежащие напылению, очищают от грязи, масла в моющих препаратах, а затем сушат. Чугунные детали, работающие продолжительное время в масляной среде, при очистке подвергают сушке в шкафу или печи при температуре 250 - 300 °С. После очистки (в случае необходимости удаления следов износа и придания детали правильной геометрической формы) их подвергают механической обработке. Основной подготовительной операцией является образование на поверхности необходимой шероховатости, которая оказывает существенное влияние не только на прочность сцепления напыляемого слоя с подложкой, но и на усталость восстанавливаемой детали.

Наиболее рациональный метод создания шероховатости, в меньшей степени снижающий сопротивление усталости детали, - дробеструйная обработка металлической чугунной крошкой с размером частиц 1,5 - 2 мм при давлении воздуха 0,5 - 0,6 МПа. Другие методы получения на поверхности шероховатости (нарезание рваной резьбы, электроискровая или электромеханическая обработка, анодно-механическое шлифование) снижают сопротивление усталости детали. Восстанавливаемую поверхность перед обработкой следует обезжирить. Участки, прилегающие к поверхности, подлежащей напылению, защищают специальным экраном.

Напылять покрытия следует сразу после дробеструйной обработки, так как уже через 2 часа ее активность уменьшается из-за увеличения на обработанной поверхности оксидной пленки.

88

При плазменном напылении в качестве напыляющих материалов применяют порошки (рис. 3.1, а), проволоки и прутки (рис. 3.1, б). Наиболее широкое распространение получила наплавка порошками.

Рис. 3.1. Схема плазменного напыления: а – порошком;

б – проволокой; 1 – подвод плазмообразующего газа;2 – катод плазмотрона; 3 – корпус катода; 4 – изолятор; 5 – корпус анода; 6 – порошковый питатель; 7 – подвод транспортирующего газа; 8 – плазменная струя; 9 – источник питания

Критерием, определяющим практическую возможность применения того или иного напыленного слоя, является прочность его сцепления с основным металлом. Вопрос о природе связи между покрытием и основным металлом до настоящего времени остается спорным. Одни исследователи считают, что сцепление напыляемого слоя с поверхностью носит чисто механический характер и основано на действии сил адгезии, величина которых зависит от кинетической энергии частиц и избыточной энергии поверхностного слоя. Другие считают, что связи возникают за счет химического взаимодействия и микросварки. В то же время процесс формирования частиц с материалом подложки ряд авторов условно разбивают на три ст а- дии:

-образование физического контакта;

-активация контактных поверхностей с образование

89

прочных химических связей на границе раздела частица - подложка;

- развитие объемного взаимодействия (релаксационные процессы, гетеродиффузия, образование новых фаз).

В зависимости от свойств напыленных металлических частиц, нагрева основы, способа и режима напыления частицы могут достигать подложки в жидком, пластичном или твердом состоянии, т.е. прочность сцепления определяется состоянием частицы и напыляемой поверхности в каждый конкретный момент. Существенное влияние на формирование и прочность сцепления покрытий оказывает температура поверхности обрабатываемой детали. Таким образом, кроме подготовки поверхности, на качество формирования покрытия и производительность процесса напыления большое влияние оказывают химический состав и свойства порошка, его грануляция, расход, условия доставки к подложке, состав газовой среды, количество теплоты, сообщаемой частицам порошка и детали.

Для осуществления приведенных факторов с целью получения заданных эксплуатационных свойств покрытий необходимо, чтобы порошковые сплавы и конструкции плазмотронов соответствовали определенным требованиям. Поскольку при транспортировании порошка в плазменную струю образуется двухфазный поток, состоящий из частиц порошка и несущей его плазменной струи, то указанные факторы следует рассматривать в комплексе.

Для напыления износостойких покрытий применяют порошки с грануляцией, не превышающей 200 мкм. При этом дисперсность частиц порошка должна быть в узких пределах с разницей размеров не более 50 мкм. При напылении, как правило, применяют частицы порошка сферической формы, поскольку они обладают наиболее высокой сыпучестью. Оптимальным режимом работы плазмотрона следует считать такой, при котором наибольшее число частиц достигает подложки (основы) детали в расплавленном состоянии. Поэтому для вы-

90