3042

сокоэффективного нагрева и транспортирования частиц порошка необходимо, чтобы конструкция плазмотрона обеспечивала получение плазменной струи достаточной мощности.

Выпускаемые промышленностью установки для плазменного напыления комплектуют плазмотронами с потребляемой мощностью 25 - 30 кВт при силе тока 350 - 400 А. Так как напыление наиболее выгодно проводить на режимах с использованием максимальной мощности, то количество теплоты (с учетом применения соответствующего плазмообразующего газа), сообщаемое частицам, ограничивается возможностями плазмотрона. Поэтому для конкретного режима необходимо подбирать оптимальную грануляцию частиц порошка. Для получения более высокой прочности сцепления частицы должны быть нагреты не ниже 0,9 температуры их плавления. С учетом приведенного условия можно приближенно определить максимальный размер частицы порошка:

где а - коэффициент температуропроводности; τ - время пребывания частиц в плазменной струе.

При значительной разнице размеров частиц невозможно обеспечить их равномерный нагрев. Это объясняется тем, что, несмотря на высокую температуру плазменной струи, крупный порошок не успевает расплавиться за короткое время его нахождения в плазменной струе (10-4 - 10-2 с), мелкий частично испаряется, а основная его масса, из-за низкой кинетической энергии, оттесняется плазменной струей в сторону, не достигнув центральной зоны. Известно, что при восстановлении деталей напылением порошковыми износостойкими сплавами на никелевой и железной основе наиболее рациональная грануляция порошка с размерами частиц 40 - 100 мкм. Эффективность нагрева частиц порошка можно повысить при одних и тех же параметрах режима путем равномерного его распределения по сечению горячей зоны плазменной струи. Этому способствуют

91

конструкции плазмотронов, позволяющие вводить порошок в плазменную струю не через одно отверстие, а через несколько, при этом КПД нагрева порошка изменяется от 2 до 30 %.

Прочность сцепления частиц с подложкой зависит от установившейся между ними температуры и времени кристаллизации. Хотя теплота расплавленных частиц, транспортируемых на подложку, играет важную роль в смачивании и активации последней, только их теплоты недостаточно для химического взаимодействия. Повышение температуры за счет подогрева подложки - важный фактор, усиливающий взаимодействие между контактирующими фазами.

При напылении хромоникелевыми порошковыми сплавами подложку рекомендуется подогревать не более 250 °С, так как при нагреве выше этой температуры происходит быстрый рост оксидной пленки, которая препятствует привариванию частиц к подложке и образованию плотных соединений. Поэтому термическая активация в обычных условиях напыления (без защитной атмосферы) за счет подогрева подложки ограничена узкими пределами.

По этой причине для ряда покрытий «металлический порошок - подложка» не допускается даже небольшой подогрев. Для других пар контактирующих металлов, таких как моли б- ден - медь, вольфрам – медь, прочность сцепления значительно возрастает при температурах подогрева медной подложки 450 - 650 °С. Компенсация активации подложки при недопустимости ее нагрева возможна за счет увеличения скорости полета частиц. Плазменная струя вытекает из плазмотрона со скоростью 1000 - 2000 м/с и сообщает частицам порошка скорость 50 - 200 м/с. Эффективность нагрева частиц и скорость их полета зависят от применяемого вида газа: двухатомные газы (азот, водород), а также воздух и их смеси с аргоном повыш а- ют указанные параметры.

Мощность плазменной струи и скорость при работе на соответствующем газе регулируется, главным образом, изме-

92

нением силы тока. При повышении силы тока дуги мощность и температура плазменной струи возрастают, а КПД не изменяется. При увеличении расхода газа среднемассовая температура понижается, а мощность и скорость плазменной струи возрастают.

В сравнении с азотной плазмой аргоновая имеет более высокие температуру и скорость, но она короче, охватывает меньшую зону нагрева поверхности, ее энтальпия ниже. Стойкость катода и анода в аргоне значительно выше.

Повышению прочности сцепления способствует также предварительное напыление подслоя толщиной не более 0,1 мм из металлов (молибден, сплавы на никелевой основе, содержащие в своем составе алюминий, титан и др.), образующих прочные химические связи в результате их взаимодействия с подложкой. Весьма перспективно напыление композиционным порошком (никель - алюминий), каждая частица которого состоит из алюминия, окруженного никелевой оболочкой. При напылении в результате алюминотермической реакции образуется покрытие - алюминид никеля (NiАl), отличающееся высокой стойкостью к окислению и более высокой температурой плавления (1640 °С), чем составляющие его металлы.

При напылении частицы порошка проходят через пламя газовой или плазменной горелки, нагреваются до определенной температуры, при которой происходит экзотермическая реакция, сопровождающаяся дополнительным выделением теплоты и повышением температуры. Частицы, оплавленные в полете или при соприкосновении с напыляемой поверхностью, образуют плотный износостойкий слой с более высокой прочностью сцепления. Прочность сцепления также можно повысить при напылении в среде защитных газов или в вакууме.

Одним из недостатков напыленных металлических покрытий является наличие в них значительных внутренних напряжений, возникающих в результате усадки при остывании напыленных металлических частиц и неметаллических вклю-

93

чений. На величину внутренних напряжений большое влияние оказывает режим остывания напыленной детали. Медленное равномерное охлаждение уменьшает внутренние напряжения.

3.1.2. Материалы для напыления

Для напыления и напыления с оплавлением широкое применение получили порошковые самофлюсующиеся сплавы системы Ni-Сг-В-Si, в которые нередко добавляют карбиды, бориды тугоплавких металлов (вольфрам, ванадий, хром, молибден) для образования композиционных сплавов с более высокими физико-механическими свойствами. Так же используются биметаллические термореагирующе порошковые сплавы, обладающе экзотермическими свойствами, повышающими прочность сцепления покрытия с основой и физикомеханические свойства в целом. Их применяют в качестве подслоя или для напыления основного слоя.

Представленные в таблице 3.1 порошки используются не только как износостойкие покрытия для восстановления деталей машин. Их можно применять как жаро -, тепло-, коррозионностойкие покрытия для деталей, работающих при повышенных температурах, в условиях окислительных сред, что способствует повышению долговечности детали, узла.

Таблица 3.1

Состав некоторых порошковых сплавов на никелевой основе

Порошки ПГ-12Н-01, ПГ-12Н-02, ПГ-10Н-01 составлены на никелевой основе системы Ni-Сг-В-Si-С-Fе. Твердость регулируется содержанием С, В, Сг. Напыленные соединения

94

имеют низкий коэффициент трения, высокую допустимую рабочую температуру (до 800 °С); их применяют для напыления и напыления с оплавлением при восстановлении деталей из углеродистых, коррозионно-стойких сталей, чугуна типа «вал», поршневых насосов, фасок клапанов, шеек коленчатых валов, толкателей. При твердости до НRС 40 покрытия обрабатывают резанием, свыше НRС 40 - шлифованием.

Порошки ПГ-10Н-03, ПГ-10Н-04 системы Ni-В-Si низкоуглеродистые, отсутствие в их составе хрома значительно снижает их твердость. Нанесенные покрытия обладают высокой коррозионной стойкостью, хорошо сопротивляются ударным нагрузкам. Их применяют для восстановления посадочных мест под подшипники, зубчатых колес, кулачковых муфт, штампового инструмента. Покрытия хорошо обрабатываются резанием.

Порошки ПТ-19Н-01, ПТ-НА-01 - биметаллические, экзотермические, состоящие из смеси никеля и алюминия. Порошок ПТ-19Н-01 коррозионно- и износостойкий; его применяют для напыления изношенной юбки поршня автотракторных двигателей, шпинделей станков и др. Напыленную поверхность обрабатывают шлифованием. Порошок ПТ-НА-01 применяют в качестве подслоя, на который напыляют другие порошки, соответствующие эксплуатационным требованиям. При восстановлении поршней компрессоров, посадочных мест валов, цапф валов различных машин, шпинделей станков и других деталей на подслой из этого порошка напыляют сравнительно мягкий порошок ПГ-19М-01 на медной основе. Покрытие легко обрабатывается точением.

Порошок ПС-12НВК-01 (НRС 57 - 64) состоит из композиции: порошок ПГ-10Н-01 (65 %) и порошок карбида вольфрама WС (35 %). Покрытия этой композиции обладают выс о- кой износостойкостью. Их применяют для восстановления подвижных и неподвижных соединений. Покрытие обрабатывают шлифованием.

95

Отечественные предприятия НПО «Тулачермет», ТЗНТС по согласованию с заказчиком могут изготовлять порошки различной грануляции (20 - 800 мкм). Для напыления применяют порошки с размером частиц не более 200 мкм.

Порошки марок ПН70Ю30, ПН85Ю15, ПН55Т45, ПТ88Н12, ПТ65Ю35 являются металлидами, частицы которых представляют собой химическое соединение двух металлов (NiАl, Ni3Аl, АlТi и др.). Их можно применять для плазменного, детонационного и газопламенного напыления.

Порошки ПН70Ю30 (температура плавления 1600 °С), ПН85Ю15 и ПТ88Ю12 (температура плавления 1400 °С) применяют в качестве жаро- и износостойких покрытий, пригодных для работы в окислительных и щелочных средах, для защиты труб, деталей металлоконструкций различного оборудования, для восстановления посадочных мест валов. Прочность сцепления покрытий со сталью составляет 35 - 45 МПа. Покрытие обрабатывается точением и шлифованием.

Порошок ПН55Т45 (температура плавления 1240 °С) применяют как износостойкое покрытие для деталей типа «вал». Он обладает высокой стойкостью в агрессивных средах. Прочность сцепления покрытия со сталью составляет 45 - 50 МПа. Покрытие обрабатывается шлифованием.

Порошок ПТ65Ю35 (температура плавления 1460 °С) используют главным образом в качестве жаростойкого покрытия. Прочность сцепления 40 - 50 МПа. Покрытие обрабатывается точением, шлифованием.

Кроме порошков, при напылении применяют электродные проволоки разных марок, главным образом износостойкие.

3.2. Плазменное напыление с последующим оплавлением

При напылении площадь непосредственного контакта между частицами и между частицами и подложкой незначительна, что является основной причиной пористости слоя, прочность которого на порядок ниже наплавленных покрытий.

96

При воздействии на такой слой сравнительно низких нагрузок происходит его отслоение. Для улучшения сцепления напыленных покрытий и доведения их прочности, близкой к прочности наплавочных слоев, напыленные покрытия подвергают последующему оплавлению.

3.2.1. Сущность способа, используемые материалы

Процесс получения покрытий плазменным напылением с последующим оплавлением состоит из трех операций: подготовка порошка и поверхности, напыление, оплавление.

Для подготовки поверхности можно применять любые методы обработки, которые обеспечивают максимальный коэффициент напыления материалов. Для последующего оплавления пригодны такие напыленные твердые сплавы на никелевой основе, которые обладают способностью самофлюсования. Они имеют низкую температуру плавления (980 - 1080 °С), а наличие в их составе бора и кремния способствует самофлюсованию и хорошей смачиваемости поверхности оплавляемого изделия. Самофлюсование происходит за счет раскислителей (кремния и бора), которые при оплавлении связывают кислород, образуя боросиликатные шлаки (В2О3, SiO2), легко всплывающие на поверхность покрытия.

С целью оплавления напыляемое покрытие рекомендуется нагревать до температуры, при которой происходит характерное «запотевание» слоя, выражающееся в появлении на оплавляемых участках блестящей поверхности. При нагреве таких покрытий за счет расплавления легкоплавкой составляющей структуры - эвтектики - жидкая фаза появляется за 100 - 150 °С до их полного расплавления. Исходные составляющие структуры сплавов (твердый раствор и карбиды) остаются в твердом состоянии и сохраняют общую целостность покрытий. Возникшая жидкая фаза заполняет образовавшиеся при напылении поры, обеспечивая диффузию элементов, в результате чего происходит окончательное формирование структуры по-

97

крытия. При этом самофлюсующиеся элементы - бор и кремний - диффундируют в основной металл, а железо из основного металла диффундирует в покрытие. Перегревать покрытие до полного расплавления не следует, так как в этом случае первичные кристаллы карбидов и боридов хрома переходят в жидкий раствор и при последующей кристаллизации образуют более грубую структуру, ухудшая качество покрытия.

Высокая стоимость хромоникелевых порошков ограничивает использование плазменного способа напыления с последующим оплавлением применительно к восстановлению деталей тракторов, автомобилей и сельскохозяйственных машин. Самофлюсующихся твердых сплавов на основе железа пока нет, и напыленные ими покрытия не поддаются оплавлению.

В производстве получили применение композиционные порошковые смеси на основе никеля и железа: ПС-1 (50 % ПГСР2 и 50 % ПГ -С1), ПС-2 (50 % СНГН и 50 % ПГ -С1), ПС-3 (50 % ПГ-СР2 и 50 % ПГ -ФБ6-2). Твердость оплавленных порошковых смесей составляет НRС 49 - 53. Износостойкость в 5 раз превышает износостойкость стали 45, закаленной до твердости НRС 54 - 56. Сопротивление усталости после оплавления повышается на 20 - 25 %. Прочность сцепления после оплавления достигает 400 МПа. Зона перемешивания оплавленного и основного металлов составляет 0,01 - 0,05 мм.

Основное требование, которое должно выдерживаться при оплавлении, - это равномерный нагрев поверхности детали и слоя покрытия. При этом для успешного протекания диффузионных процессов, в первую очередь, необходимо подвести к детали достаточное количество теплоты.

3.2.2. Технология и техника процесса напыления

С точки зрения технологии процесса из применяемых способов наиболее рационален плазменный способ оплавления. В этом случае процесс напыления и процесс оплавления

98

осуществляются одной и той же горелкой при той же мощности сжатой дуги, при частоте вращения 10 - 14 мин-1, при оплавлении с приближением горелки к детали на расстояние 50 - 70 мм (рис. 3.2). Существенным недостатком плазменного нагрева является то, что плазменная струя, обладая высокой температурой и значительной концентрацией энергии, весьма быстро нагревает поверхность покрытия при недостаточном нагреве поверхности детали и тем самым часто приводит к свертыванию оплавляемого покрытия. Кроме того, в результате высокой скорости истечения плазменной струи и значительного давления на напыляемую поверхность также может произойти нарушение слоя покрытия. Плазменное оплавление рекомендуется применять для малогабаритных деталей диаметром, не превышающим 50 мм, таких как толкатель, поршневые пальцы, кулачковые валы, и т.д.

Рис. 3.2. Схема плазменного напыления с последующим

оплавлением: 1 – источник питания; 2 – балластовый реостат; 3 – порошковый питатель; 4 – плазмотрон; 5, 6 – ввод и вывод охлаждающей воды; 7 – ввод наплавляемого порошка;

8 – наплавляемая деталь

На качество оплавления цилиндрических деталей сжатой дугой косвенного действия большое влияние оказывает скорость перемещения плазмотрона (подача). Увеличение подачи с повышением силы тока объясняется возрастанием количества теплоты, приходящейся на единицу площади оплавляемой поверхности.

99

Возрастание расхода газа в дуговом разряде увеличивает число заряженных частиц и степень ионизации газа, что способствует повышению тепловой энергии, подводимой к металлу, и температуры дуги косвенного действия. При дальнейшем возрастании расхода газа количество газовых молекул, поступающих в горелку, начинает значительно превышать число частиц, способных ионизироваться в дуговом разряде при данной мощности дуги, что ведет к снижению температуры и уменьшению подачи.

С увеличением расстояния между горелкой и оплавляемой деталью подача уменьшается. Чем дальше удаляется от сопла участок плазменной струи, тем с меньшей силой она подвергается сжимающему воздействию со стороны сопла горелки и проходящего через него газа. Выйдя из-под воздействия сжимающих сил, плазменная струя расширяется, ее диаметр увеличивается, а плотность и сопротивление падают, что ведет к понижению температуры и уменьшению подачи.

Наиболее высокое качество покрытий получается при использовании газового ацетиленокислородного восстановительного пламени. Это объясняется тем, что ацетиленокислородные горелки, особенно многосопловые, позволяют в широких пределах регулировать подачу теплоты и равномерно нагревать одновременно значительную площадь напыленного покрытия.

Оплавление токами высокой частоты наиболее рационально применять для деталей простой формы при значительной программе восстановления. Оплавление производят на тех же режимах, что и поверхностную закалку изделий соответствующих диаметров.

В практике восстановления деталей типа «вал» оплавление напыленных покрытий выполняют также аргонодуговым способом.

Однако несмотря на то, что способ напыления с оплавлением позволяет получать высококачественные износостойкие

100