Metod_2542

J 70 dc,

где J — сила тока сжатой дуги прямого действия, А; dc — диаметр плазмообразующего сопла, мм.

Сила тока дуги косвенного действия принимается J = 40…70 А. Следовательно, величина сварочного тока зависит от диаметра плазмообразующего сопла, т.е. размеры сопла определяют размеры сжатой дуги. Уменьшение диаметра сопла ведет к увеличению степени сжатия дуги и степени ионизации газа, в результате возрастают температура и скорость плазменного потока и повышается напряжение дуги. Проплавляющая способность плазменного потока увеличивается, доля металла подложки в наплавленном слое возрастает, качество наплавленного слоя ухудшается (рис. 3.21).

Зависимость, представленная на рис. 3.21, получена при

хода должно быть не менее 100 В при использовании порошков и не менее 70 В при применении токоведущей проволоки.

Этим требованиям в полной мере отвечают отечественные сварочные выпрямители: ВД-306; ВД-303; ВДУ-504; ВДУ-505 и др.

Скорость наплавки должна быть в пределах 8–10 м/ч. Такая скорость позволяет оптимизировать тепловой режим наплавки, т.е. ввести оптимальное количество тепла в 1 см длины наплавленного слоя. Эта величина называется погонной энергией.

Существенное увеличение скорости наплавки в сравнении с рекомендуемой приводит к недостаточному нагреву и ухудше-

143

нию прочности сцепления наплавленного слоя с подложкой, высота и ширина наплавленного слоя уменьшаются.

С уменьшением скорости наплавки увеличивается нагрев металла подложки, вплоть до оплавления, в результате доля основного металла в наплавленном слое увеличивается и нарушается его расчетный химический состав. Примерные режимы плазменной наплавки порошком представлены в табл. 3.16.

Примером технологического процесса восстановления дета-

лей плазменной наплавкой может служить технологический процесс наплавки крестовины карданных валов. Крестовины карданных валов путевых машин работают в условиях большой нагрузки и недостаточной смазки. Поэтому срок службы их относительно небольшой.

По характеру износа крестовины распределяются по следующим группам: крестовины, имеющие только размерный износ, — 30 %; крестовины, имеющие размерный износ в сочетании со смятием шипов, — 52 %; другие дефекты шипов — 6 %; крестовины, не подлежащие восстановлению, — 12 % [23]. Износ шипов по диаметру обычно составляет 0,05–0,15 мм, глубина вмятин — 0,1–0,6 мм. Вмятины по цилиндрической поверхности шипов образуются от силового воздействия роликов игольчатого подшипника.

Крестовины не подлежат восстановлению при наличии одного из следующих дефектов: трещин, выкрашивания, овальности и конусности свыше 1 мм.

Для наплавки крестовин используются порошки на железной основе: ПГ-С1, ПГ-УС25 с добавкой алюминия в количестве 6–8 %.

144

В качестве плазмообразующего газа используется аргон, в качестве защитного газа — аргон, азот и углекислый газ.

Для транспортировки порошка в зону сжатой дуги применяется технический азот.

При использовании для защиты жидкой ванны углекислого газа СО2 качество наплавки снижается: формируется грубый валик, подложка перегревается, доля основного металла в наплавленном слое увеличивается, и после наплавки каждого шипа необходимо охлаждение.

Наплавку шипов крестовин ведут наложением слоев по винтовой линии при следующих режимах:

Плазменная наплавка крестовин на указанных режимах обеспечивает наплавленный слой толщиной 1,6–1,9 мм. Глубина проплавления — 0,4–0,6 мм.

При наплавке порошком ПГ-УС25 при добавке 8 % Al твердость слоя HRC 52–56, а порошком ПГ-С1 при добавке 8 % Al HRC 46–52.

Альтернативной технологией восстановления крестовин является наплавка в среде углекислого газа СО2 с использованием проволок Нп-65Г, Нп-30ХГСА.

В табл. 3.17 приведены сравнительные данные технологических маршрутов восстановления крестовин с применением плазменной наплавки и в среде СО2.

Технологический процесс устранения дефектов крестовины плазменной наплавкой экономичнее в сравнении с технологическим процессом, в основе которого лежит электродуговая наплавка в среде защитного газа: трудоемкость уменьшается на 24 %, толщина наплавленного слоя — в 1,5–2,0 раза, что позволяет экономить наплавочный материал.

145

Времонтном производстве устранение дефектов плазменной наплавкой ведется для широкой номенклатуры деталей:

– детали класса «Тела вращения» (валы, оси и др.);

– детали класса «Втулки» (стаканы, втулки, гильзы и т.д.);

– детали класса «Диски» (зубчатые колеса, шкивы). Отличительной особенностью плазменной наплавки является

возможность применения ее при восстановлении деталей, изготовленных из чугуна и алюминиевых сплавов. В литературе приводятся рекомендации по восстановлению поршней дизельных двигателей, изготовленных из алюминиевых сплавов АЛ-25 и

АЛ-10В [23].

Внастоящем учебном пособии описаны технологии устранения дефектов изношенных деталей, в основе которых лежат процессы сварки или наплавки.

Среди способов, широко применяющихся в производстве, но не рассматриваемых в данном пособии, следует назвать следующие:

– электродуговая наплавка в среде защитных газов;

– наплавка в среде водяного пара;

– газопламенная сварка и наплавка и др.

Подробное описание вопросов технологий устранения дефектов изношенных деталей можно найти в специальной литературе, указанной в конце пособия.

146

Вопросы для самопроверки

1.Назовите дефекты, характерные для деталей из чугуна, и причины их образования.

2.Назначьте операции технологического процесса наплавки чугунных деталей горячим способом.

3.Назовите особенности холодной сварки (наплавки) чугуна биметаллическими электродами.

4.Назначьте операции технологического процесса сварки (наплавки) деталей, изготовленных из алюминиевых сплавов.

5.Сформулируйте преимущества автоматической наплавки под слоем флюса.

6.Опишите свойства и область применения, дайте классификацию флюсов для автоматической наплавки.

7.Изложите методику расчета (выбора) параметров режима наплавки под слоем флюса.

8.Опишите область применения, достоинства и недостатки плазменной наплавки деталей.

9.Опишите три схемы получения плазмы, назовите плазмообразующие газы.

10.Охарактеризуйте порошковые материалы для плазменной наплавки.

11.Составьте схемы и опишите работу установок для плазменной наплавки деталей.

12.Назначьте операции технологического процесса наплавки деталей с применением плазмы.

3.3. Устранение дефектов изношенных деталей металлизацией

В основе этого способа нанесения покрытий лежит расплавление присадочного материала, распыление его струей газа на частицы размером от 0,003 до 0,3 мм и перенос их на поверхность детали со скоростью 100–300 м/с (рис. 3.22).

Соединение металлизационного покрытия с подложкой происходит за счет механического «заклинивания» и частично за счет образования металлических связей.

Частицы жидкого металла, пролетая воздушный промежуток длиной l, успевают пройти кристаллизацию, приобрести сфериче-

147

скую форму, большой запас кинетической энергии и сохранить достаточно высокую пластичность.

Рис. 3.22. Схема нанесения покрытия металлизацией:

1 — металлизатор; 2 — центральная часть струи; 3 — внешняя область; 4 — подложка; 5 — напыленный слой

При ударе о подложку частицы пластически деформируются и приобретают форму тонкого диска с рваными краями, за счет чего происходит переплетение их и формирование достаточно прочного слоя. Эту модель можно взять за основу для понимания механической природы образования напыленного слоя.

Вместе с тем нельзя не учитывать влияние металлических связей на формирование металлизационного слоя. Для образования таких связей при ударе и деформировании возникают необходимые условия: разрушение окисных пленок, плотный контакт абсолютно чистых металлов, повышение температуры контактирующих металлов при пластическом деформировании.

Вопрос о природе взаимодействия между покрытием и основным металлом до настоящего времени однозначно не решен. Одни исследователи считают, что сцепление напыляемого слоя и подложки носит чисто механический характер и основано на действии сил адгезии, величина которых зависит от кинетической энергии частиц и избыточной энергии поверхностного слоя подложки. Другие считают, что связи возникают за счет химического взаимодействия и микросварки наполняемого металла и подложки.

Ряд авторов процесс формирования связей частиц порошка и материала подложки разбивают на три этапа: образование физического контакта; активизация контактных поверхностей и образование прочных химических связей на границе частица–подложка; развитие объемного взаимодействия (релаксация, гетеродиффузия, образование новых фаз) [1, 16, 22].

148

Протекание физико-химических процессов при взаимодействии частиц с подложкой и между собой наиболее полно отражено в работах В.В. Кудинова, А. Хасуи и др.

Описанные модели механизма формирования напыленного слоя позволяют сделать вывод, что процесс сплавления здесь отсутствует, следовательно, подложка не нагревается до высоких температур, т.е. до тех температур, когда в материале детали могут произойти фазовые превращения, изменения структуры и свойств материала. Многочисленные исследования и практика подтверждают тот факт, что в процессе металлизации деталь нагревается до температуры не более 180–200 °С.

Таким образом, эта группа технологических процессов позволяет устранить износ рабочей поверхности детали без изменения физико-механических свойств ее материала, заложенных в него при ее изготовлении.

В зависимости от способа расплавления напыляемого металла выделяют металлизацию:

электродуговую;

высокочастотную;

газопламенную;

плазменную.

Электродуговая металлизация. Сущность дугового напыле-

ния (рис. 3.23) заключается в том, что подающим механизмом 2 через мундштуки 3 подаются в зону горения дуги 4 две проволоки 1, находящиеся под напряжением.

Рис. 3.23. Схема электродуговой металлизации

В зоне горения дуги электродные проволоки плавятся, расплавленный металл распыляется струей сжатого воздуха, подаваемого под давлением 0,4–0,6 МПа. С помощью сопла 7 формируется газометаллическая струя 5, направленная на поверхность детали 6.

149

Этот способ металлизации был первым в отечественной промышленности и ремонтном производстве. Он достаточно хорошо изучен, прост в эксплуатации, отличается широкой универсальностью, позволяет применять сварочные и наплавочные проволоки.

Вместе с тем для электродуговой металлизации характерны недостатки:

высокая температура дуги вызывает перегрев расплавленного металла, что ведет к выгоранию углерода и других элементов, активному окислению жидких частиц, наличию большого количества окислов в напыленном слое;

плавление электродных проволок в больших объемах приводит к образованию крупных металлических частиц, что делает металлизационное покрытие шишковатым, с большим количеством пор. Поры нарушают сплошность и снижают прочность напыленного слоя. Одновременно пористость можно рассматривать как положительный факт, так как поры повышают маслоемкость напыленного слоя и его антифрикционные свойства. В настоящее время электродуговая металлизация применяется ограниченно.

Высокочастотная металлизация позволяет исключить де-

фекты напыленного слоя, характерные для дуговой металлизации, за счет снижения температуры расплавленного металла.

На рис. 3.24 представлена схема устройства и работы высокочастотного металлизатора.

Рис. 3.24. Схема высокочастотного металлизатора

Нагрев и расплавление проволоки 5 осуществляется вихревыми токами, сконцентрированными на коротком концевом ее участке. Вихревые токи большой плотности индуцируются на конце проволоки за счет высокочастотного магнитного поля в

150

зоне отверстия концентратора 10. Концентратор представляет собой цилиндрическую медную (бронзовую) деталь с рубашкой охлаждения и радиальным пазом 8, заполненным электроизолятором. Для подвода проволоки в зону плавления и пропуска транспортирующего газа концентратор имеет центральное коническое отверстие 4. При пропускании переменного тока высокой частоты (80–125 кГц) по индуктору 9 вокруг его витков образуется высокочастотное магнитное поле, которое индуцирует в металлическом концентраторе вихревые токи. Известно, что вихревые токи имеют свойство концентрироваться в поверхностных слоях металлического проводника, но изоляционная пластинка отклоняет их в радиальном направлении и заставляет огибать центральное отверстие концентратора. Таким образом, вихревые токи оказываются сконцентрированными в зоне центрального отверстия и формируют переменное магнитное поле соответствующей частоты. Магнитный поток этого поля пересекает проволоку 5 (проводник) и индуцирует вторичные вихревые токи на конце этой проволоки. Малая площадь концентрации вихревых токов на конце проволоки повышает их плотность, вызывает быстрый нагрев поверхностных слоев металла до температуры плавления. Транспортирующий газ, который подводится по кольцевому и осевым каналам в зону плавления, подхватывает, размельчает расплавленный металл и струей 3 переносит на поверхность детали 1.

При такой схеме расплавления металл не имеет возможности перегреваться, в результате уменьшается выгорание элементов, повышается плотность напыленного слоя 2, уменьшается количество неметаллических включений.

Проволока подается в зону плавления роликовым механизмом 6 и направляющей текстолитовой (фторопластовой) втулкой 7. Для повышения срока службы медного индуктора 9 его выполняют пустотелым с принудительной прокачкой воды.

Нагрев проволоки до температуры плавления в короткое время возможен только при определенной частоте тока, которая подсчитывается по формуле

f dK2 ,

151

где f — частота тока, кГц; К — коэффициент, зависящий от материала проволоки (для стальной проволоки К = 20 000); d — диаметр проволоки, мм. Обычно принимают проволоку диаметром 4–5 мм.

Высокая частота тока (100–150 кГц) обеспечивается ламповыми генераторами ТВЧ типа ЛГПЗ-30, ЛГПЗ-60Г, ГЗ-46 и др. Сложность, громоздкость и высокая стоимость этого оборудования являются главными недостатками способа металлизации ТВЧ.

Газопламенная металлизация осуществляется при помощи специальных аппаратов, в которых плавление металла производится кислородно-ацетиленовым пламенем.

Отечественная аппаратура позволяет использовать в качестве расплавляемого материала сварочную и наплавочную проволоки (металлизаторы ГИМ-1, ГИМ-2, МГИ-1-57), порошки и порошковые смеси (горелки ГН-1, ГН-2, ГН-3 ВНИИавтогенмаш, установку УПН-8 ВНИИавтогенмаш).

Для восстановления деталей наиболее часто применяется газопламенное напыление порошками, которые позволяют в широких пределах регулировать химический состав и свойства покрытий, главным образом прочность сцепления с металлом подложки.

В зависимости от места подвода порошка в горелку различают две схемы газопламенной металлизации:

схема с внешней подачей порошка в кислородно-ацетиленовое пламя (рис. 3.25, а) — установки ГАЛ-4-72 и ГАЛ-4-73;

схема с осевой подачей порошка (рис. 3.25, б) — установка ГАЛ-2.

Рис. 3.25. Схема газопламенного напыления:

а — с внешней подачей порошка; б — с осевой подачей порошка; 1 — сопло; 2 — пламя; 3 — мундштук; 4 — наконечник;

5 — канал подачи горючей смеси; 6 — канал подачи транспортирующего газа

152