Metod_2542

– для наплавки катка нижнего гусеничного ходового аппарата диаметром 113 мм, изготовленного из стали 50Г, сила тока должна быть 200–220 А.

Отличительной особенностью методики выбора силы тока является зависимость его величины не от диаметра электродной проволоки, а от диаметра наплавляемой детали. Такой подход к выбору величины тока обусловлен стремлением сохранить постоянной величину относительного провара.

Смещение электрода от зенита против направления вращения детали предусматривается в технологическом процессе для предотвращения стекания расплавленного металла и флюса. Этот параметр определяется экспериментально, зависит от диаметра наплавляемой поверхности и скорости наплавки, в справочной литературе рекомендуется в пределах 5–15 мм [24].

Электродная проволока для сварочных и наплавочных работ выбирается в зависимости от применяемого флюса.

При использовании плавленых флюсов химический состав электродной проволоки должен быть близким наплавляемому металлу. Для этого металлургической промышленностью выпускается наплавочная проволока типа Нп диаметром 0,3–8,0 мм. Наплавочная проволока по химическому составу делится на три группы:

из углеродистой стали (восемь марок: Нп-30, Нп-40, Нп-45 и др.);из легированной стали (одиннадцать марок: Нп-10Г3, Нп-30Х5

и др.); из высоколегированной стали (девять марок: Нп-20Х14,

Нп-3Х13, Нп-45Х4В3Ф и др.).

При использовании неплавленых флюсов химический состав наплавленного металла формируется флюсом; применяется малоуглеродистая холоднотянутая проволока типа Св диаметром

0,3–12,0 мм, например, Св-0,8, Св-10, Св-10Г2 и др.

Порошковая проволока применяется в тех случаях, когда требуется высокая точность химического состава наплавленного металла.

Порошковая проволока типа ПП представляет собой стальную трубку, заполненную порошком.

Трубка изготавливается из малоуглеродистой ленты толщиной 0,2–1,0 мм с одновременным заполнением порошком. По-

133

рошки состоят главным образом из ферросплавов. При наплавке под слоем флюса широко применяют порошковые проволоки следующих марок: ПП-3Х2В8, ПП-Г13А, ПП-Х42ВФ и др.

Буквенный индекс ПП означает — «проволока порошковая», последующий буквенно-цифровой индекс указывает марку стали, для наплавки которой эта проволока предназначена.

Термическая обработка проводится при необходимости для снятия напряжений, возникающих в процессе наплавки.

Наилучшие результаты дают отжиг или нормализация. Температура нагрева выбирается в зависимости от химического состава наплавленного металла. Например, при наплавке шеек коленчатого вала двигателя ЗИЛ-130, изготовленного из стали 45, сварочной проволокой марки Св-13Г2Х проводят нагрев для нормализации до температуры 880–900 °С, т.е. выше линии Ас3 диаграммы Fe-C.

После завершения указанного выше комплекса операций детали подвергаются механической обработке в соответствии с требованиями ремонтного чертежа.

3.2.7.Устранение дефектов деталей плазменной наплавкой

Вштатных условиях молекулы газов электрически нейтральны: они не пропускают электричество, плохо проводят тепло. Поэтому газы являются хорошими изоляторами.

Но под действием тепла или высокочастотного электромагнитного поля молекулы газа диссоциируют с образованием ато-

мов. При диссоциации двухатомные газы — О2, H2, N2 и другие — поглощают энергию диссоциации Uд. Величина энергии диссоциации для различных газов различна, например, водород диссоциирует на 90 % при температуре 4700 К, а азот — при 9000 К, причем их теплосодержание (энтальпия) при указанных температурах равна энтальпии аргона при температуре 14 000 К:

N2 N N Uä .

При дальнейшем повышении энергии теплового воздействия на диссоциированный газ происходит отрыв внешних (валентных) электронов и наполнение газа электронами и ионами. Газ резко изменяет свои свойства, например, он становится электропроводным. Этот процесс называется первичной ионизацией. Для возбуждения и

134

протекания процесса ионизации нужно затратить определенную энергию — энергию ионизации (электрон-вольт) Ui.

Для вторичной ионизации нужны большие значения энергии ионизации, при этом происходит отрыв электронов с глубоких уровней:

N N e Ui .

Например, азот при температуре 12 000 К почти полностью диссоциирует, первичная ионизация протекает при 20 000 К, а вторичная — при 35 000 К.

Газ, насыщенный ионами и электронами, еще нельзя назвать плазмой. Для плазмы характерна определенная степень ионизации, которая зависит от температуры и потенциала ионизации. Степенью ионизации следует считать отношение числа образовавшихся заряженных частиц в данном объеме газа к общему количеству частиц (молекул) до ионизации.

Плазмой следует считать такое состояние газообразного вещества, при котором в 1 см3 содержится не менее 109–1016 заряженных частиц. Плазма имеет температуру не менее10 000 К.

Заимствованную в процессе диссоциации и ионизации энергию плазма во время рекомбинации атомов и молекул отдает обрабатываемой детали и нагревает ее.

Втехнологических процессах сварки, наплавки, металлизации используется плазма, полученная в результате первичной ионизации, т.е. в ее газовом потоке наряду с заряженными частицами содержатся и нейтральные частицы (атомы и, возможно, молекулы).

Внастоящее время основным способом получения плазмы для технологических целей является пропускание газовой среды через сжатый дуговой разряд в узком медном канале.

Всварочно-наплавочной аппаратуре встречаются три схемы получения плазмы (рис. 3.17).

Закрытая плазменная струя образуется, когда дуга горит

между неплавящимся вольфрамовым электродом 4 (катодом) и водоохлаждаемым медным корпусом 5 (анодом) (см. рис. 3.17, а). Через дуговой разряд, который горит в узком канале сопла 3, пропускается плазмообразующий газ. Так как при сжатии дуги величина сварочного тока не уменьшается, не уменьшается и количество электронов, проходящих через единицу площади попе-

135

речного сечения дуги. Однако количество упругих и неупругих соударений частиц увеличивается, т.е. повышается степень ионизации, возрастает температура плазмы (в зоне горения дуги активно идет процесс ионизации). Поток плазмы 2 через сопло 6 вытекает из плазмотрона и нагревает поверхность детали 1.

Рис. 3.17. Принципиальные схемы работы плазмотронов:

а— закрытая; б — открытая; в — комбинированная; 1 — поверхность детали (подложка); 2 — плазменная струя;

3 — канал сопла; 4 — неплавящийся электрод; 5 — корпус плазмотрона (медный); 6 — сопло

Сжатие дуги способствует повышению температуры ее на

25–30 %.

Открытая плазменная струя образуется, когда одним из электродов (анодом) служит деталь (см. рис. 3.17, б). В этом случае дуга горит между вольфрамовым электродом и деталью, плазменный поток совпадает с дугой, поэтому деталь получает бóльшее количество тепла.

Комбинированная схема получения плазмы (см. рис. 3.17, в)

предусматривает подключение источника тока к корпусу плазмотрона и к детали. В этом случае горят две дуги:

между вольфрамовым электродом и корпусом;

между тем же электродом и деталью.

Третья схема применяется главным образом при сварке, наплавке и резке металлов.

Несмотря на высокую температуру плазменной струи, канал и сопло плазмотрона не прогорают, т.е. работают устойчиво. Это объясняется тем, что корпус, изготовленный из красной меди — материала с высокой теплопроводностью, — охлаждается проточной водой.

136

Охлаждение стенок сопла препятствует нагреву и ионизации наружного слоя газа, проходящего через дуговой разряд. Поэтому наружный слой плазмообразующего газа имеет низкую температуру, остается неионизированным, неэлектропроводным и выполняет роль теплоизолирующего покрытия рабочей поверхности сопла.

Температура плазменного потока достигает 10 000–20 000 °С и выше. Наибольшая температура отмечается в зоне, близкой к оси столба плазмы (рис. 3.18). По мере удаления от оси столба температура снижается.

Температура плазмы зависит главным образом от величины тока, степени сжатия дугового разряда и расхода плазмообразующего газа.

Основные характеристики плазменной струи:

эффективная мощность, определяющая количество тепла, вводимого при наплавке в единицу времени;

эффективный КПД, учитывающий потери тепла на нагрев электрода, сопла, на конвекцию и лучеиспускание.

Отличительными особенностями плазменной струи являются высокая температура факела, возможность концентрации большого количества тепла в небольших объемах материала.

При сварочных и наплавочных процессах есть возможность уменьшить зону термического влияния до 3–6 мм, в то время как при обычной электродуговой сварке эта зона достигает 15 мм, при газовой сварке (наплавке) — 15–30 мм.

Возможность получения толщины наплавленного слоя от 0,10 до нескольких миллиметров также выгодно отличает плазменный способ наплавки от других.

В качестве плазмообразующих газов могут применяться аргон, азот, гелий, аммиак, их смеси и углекислый газ.

Водород и кислород применяются только в смеси с другими газами. Водород обладает высокой теплопроводностью, что вызывает быстрый нагрев и разрушение сопла. Поэтому чистый водород

137

не рекомендуется как плазмообразующий газ. При использовании кислорода происходит быстрое сгорание вольфрамового электрода, становится невозможной стабильная работа плазмотрона.

Наилучшим газом, защищающим электрод от окисления (разрушения), является химически пассивный аргон. Однако аргон — одноатомный газ и поэтому имеет относительно низкую энтальпию, т.е. небольшое количество энергии, приобретаемой им в столбе электрической дуги за счет теплоемкости и ионизации плазмообразующего газа. Теплофизические свойства газов представлены в табл. 3.14.

Таблица 3.14

Двухатомные газы являются лучшими теплоносителями; их преимущество перед аргоном состоит в том, что кроме энергии ионизации атомов они переносят еще энергию диссоциации молекул, которая появляется на первом этапе образования плазмы. Таким газом, как видно из табл. 3.14, является гелий. В практике наряду с гелием также широко применяется аргон, из-за достаточно высокой температуры плазмы.

При плазменной наплавке применяются те же материалы, что и при обычной электродуговой наплавке, — проволока, прутки и др. Однако высокое качество наплавки можно получить при использовании порошков типа ПГ-ХН80СРЗ, ПГ-ФБХ-6-2. Составы порошков для плазменной наплавки представлены в табл. 3.15.

138

Таблица 3.15

Порошок ПГ-ХН80СРЗ содержит достаточно большое количество углерода (до 0,8 %). Углерод — основной карбидообразующий элемент. При содержании его в сплаве до 0,6 % в сочетании с другими карбидообразующими элементами (в данном случае с хромом) в наплавленном слое образуются доэвтектоидные сплавы, характеризующиеся высокой износостойкостью и сопротивляемостью ударным нагрузкам. С увеличением содержания углерода до 2 % и более в структуре сплава резко увеличивается количество карбидов, которое может достигать 40 %. В то же время в структуре наблюдается остаточный аустенит, по данным [24], его количество в сплаве составляет не менее 20 %.

Хром — карбидообразующий элемент. Хром с углеродом образует карбиды: Cr2C2; Cr7C3; Cr13C6. Увеличение количества карбидов в структуре сплава повышает его твердость и износостойкость, однако увеличивает его склонность к образованию горячих трещин. Кроме того, с бором данный элемент образует семейство боридов хрома.

Бор — легирующий элемент. С углеродом, хромом и другими карбидообразующими элементами он образует бориды и карбобориды. В небольшом количестве, как указано в табл. 3.15, бор заметно повышает твердость и износостойкость сплава.

Кремний — сильный раскислитель, графитизатор — карбидов не образует. При большом содержании кремний образует по границам зерен легкоплавкую эвтектику, способствующую образованию трещин.

139

Никель — основной легирующий элемент в наплавленном сплаве. Он регулирует количество аустенита, тем самым оказывает существенное влияние на физико-механические свойства сплава. Указанные в табл. 3.15 наплавочные материалы позволяют получить в структуре до 45 % аустенита, что резко повышает вязкость наплавленного материала, сопротивление образованию трещин без снижения его износостойкости.

Изложенное выше позволяет сделать вывод: достаточно высокая твердость и износостойкость наплавленного плазменной струей слоя объясняется наличием в нем карбидов хрома, марганца, железа, боридов и карбоборидов хрома.

Вто же время и строение матрицы — основы сплава — оказывает существенное влияние на его служебные свойства. Матрица сплава может быть ферритной, аустенитной и мартенситной.

Мягкий феррит плохо удерживает карбиды и другие твердые включения, поэтому сплавы с ферритной матрицей отличаются низкой износостойкостью.

Мартенситная основа придает сплаву наибольшую износостойкость даже в условиях абразивного изнашивания, но может работать только при безударных нагрузках.

Вусловиях ударного нагружения наибольшую износостойкость имеют сплавы с аустенитной или аустенитно-мартенситной матрицей.

Таким образом, наплавочные хромоникелевые порошки типа ПГ-СР позволяют регулировать твердость и износостойкость наплавленного слоя в широком диапазоне.

Впоследние годы отмечается расширение ассортимента порошковых сплавов и порошковых композиций, следовательно, расширяются технологические возможности плазменной наплавки.

При плазменной наплавке с применением порошковых наплавочных материалов наиболее распространенным (универсальным) является способ с подачей порошка в плазменную струю. Порошок, частично оплавляясь, переносится потоком плазмы на оплавленную поверхность детали (рис. 3.19). Оплавление поверхности детали происходит главным образом за счет сжатой дуги прямого действия 4. Широкий диапазон регулирования количества тепла, идущего на нагрев порошка и детали, позволяет получать наплавленный металл высокого качества с минимальной глубиной проплавления.

140

Рис. 3.19. Схема плазменной наплавки с вдуванием порошка в дугу:

1 — вольфрамовый электрод;

2 — плазмообразующее сопло;

3 — плазменная струя;

4 — сжатая дуга прямого действия; 5 — источник питания дуги косвенного действия;

6 — источник питания дуги прямого действия

При использовании проволоки в качестве присадочного материала она становится токоведу-

щим элементом схемы (рис. 3.20).

В этой схеме тепло сжатой дуги прямого действия 9 расходуется в большей части на плавление присадочной проволоки 5 и в меньшей — на нагрев детали (подложки) 8. Наплавленный слой 7 образуется в основном за счет перегретого присадочного металла, смачивающего подогретую подложку 8, т.е. за счет диффузных процессов.

Рис. 3.20. Схема плазменной наплавки с применением проволоки: 1 — вольфрамовый электрод; 2 — водоохлаждающая рубашка; 3 — камера защитного газа; 4 — сопло; 5 — присадочная проволока; 6 — механизм подачи проволоки и подвода тока;

7 — наплавленный слой; 8 — подложка; 9 — сжатая дуга прямого действия; 10 — плазменная струя

141

Наплавка с использованием плавящейся проволоки и подложки дугой прямого действия увеличивает массу расплавленного металла, следовательно, повышает производительность способа, но при этом возрастает глубина проплавления подложки.

Впрактике можно встретить и другие схемы плазменной наплавки с использованием проволоки: наплавка двумя плавящимися проволоками, подключенными последовательно к источнику переменного тока; наплавка двумя проволоками, подключенными параллельно отдельному источнику тока. Последний способ разработан шведской фирмой АГА и характеризуется высокой производительностью [7].

К основным параметрам, влияющим на качество плазменной наплавки, следует отнести: качество подготовки поверхности, силу тока, величину напряжения холостого хода и дугового разряда, скорость наплавки, расстояние от сопла до наплавляемой поверхности (длину дуги прямого действия), расход и количество плазмообразующего, транспортирующего и защитного газов и др.

Подготовка наплавляемой поверхности должна выполняться до полного удаления масляных пятен, следов коррозии и старой краски. Необходимость тщательного выполнения этой операции обусловлена тем, что при наплавке без расплавления металла подложки сцепление наплавленного слоя происходит за счет диффузных процессов, протекающих между жидкой и твердой фазами. При этом необходимо обеспечить хорошую смачиваемость наплавляемой поверхности жидким присадочным металлом. Наличие загрязнителей препятствует смачиваемости поверхности.

Химически стойкие и прочные загрязнители (пленки окислов, лакокрасочные покрытия и др.) удаляются механической обработкой: точением, шлифованием, стальной щеткой или металлической дробью.

Вотдельных случаях в технологический процесс включается операция химического обезжиривания.

Сварочный ток — один из главных параметров режима плаз-

менной наплавки.

Для обеспечения стабильности наплавочного процесса при использовании порошкового присадочного материала и вольфрамовых электродов диаметром 3–5 мм величину силы тока рекомендуется определять по зависимости [23]:

142