Прогрессивные технологии восстановления и упрочнения деталей машин

слою крупнозернистого порошка, заранее насыпанного на поверхность; с подачей порошка в сварочную ванну из основного металла; с подачей порошка в плазменную струю, плавлением его в этой струе и переносом на поверхность изделия.

Рис. 1.3. Принципиальная схема установки для плазменной наплавки:

1 — основной источник тока; 2 — источник тока для возбуждения дуги;

Метод косвенной дуги отличается от описанного последовательностью и количеством дуг, создаваемых при наплавке. Наплавку можно выполнять одиночными валиками, а также с применением осциллирования на прямой и обратной полярности. При этом предъявляются жесткие требования к скорости перемещения плазмотрона, равномерности прогрева поверхности и условиям расхода газа.

Преимуществом способа плазменной наплавки является его пригодность к автоматизации с применением электронной системы регулирования процесса. Многие зарубежные комплексы наплавки и оборудование комплектуются манипуляторами и роботами, системами управления.

Наплавка под слоем флюса. Способ характеризуется большой производительностью в результате применения высоких плотностей тока; возмож-

10

ностью управления составом и свойствами наплавленного покрытия за счет дополнительного легирования; возможностью получения толщины покрытия до 0,8—10 мм (рис. 1.4). Наплавка под слоем флюса широко используется для восстановления деталей автомобилей, тракторов и других машин. Наплавляемые материалы — проволоки и ленты различного состава, иногда в зону подается дополнительный присадочный материал. Важной особенностью

Рис. 1.4. Схема наплавки под слоем флюса цилиндрических деталей:

11

способа является простота используемого оборудования и высокая производительность процесса, достаточная его изученность для разработки математических моделей и оптимизации технологических параметров. Существует, однако, ряд недостатков процесса, затрудняющих его использование. К ним относятся: ограниченные возможности процесса, связанные с формой детали (поверхность детали должна быть горизонтальной или близкой к ней); значительное расплавление основного металла, доля которого в наплавленном слое может достигать 65—70%, и, следовательно, проблемы со стабильностью химического состава и свойств наплавленного покрытия; высокий нагрев детали и невозможность наплавки деталей малых размеров; необходимость ручного удаления шлаковой корки.

Вибродуговая наплавка. Способ широко применяется на ремонтных предприятиях в связи с простотой освоения и эксплуатации наплавочных установок, возможностью нанесения слоев толщиной 0,5—3 мм на наружные и внутренние поверхности стальных и чугунных деталей (рис. 1.5). Электродная проволока подается к наплавляемой поверхности детали/через мундштук, вибрирующий с частотой до 110 Гц и амплитудой до 4 мм. Благодаря вибрациям наплавку можно производить при напряжениях 12—18 В.

В связи с тем, что на качество соединения наплавляемого и основного металлов влияет большое число факторов, рассматриваемый способ имеет ряд недостатков, в том числе несплавление наносимого слоя с материалом детали; разбрызгивание электродного материала и его повышенный расход; плохое формирование наплавляемого слоя и недостаточная стабильность процесса наплавки; возникновение раковин и пор в наплавляемом слое; значительное термическое воздействие на деталь, приводящее к появлению термических напряжений в детали и трещин в наплавленном слое.

Наплавка в среде защитных газов. Этот способ не требует специальных устройств или защитных флюсов, поскольку дуга между электродом и наплавляемым изделием горит в струе газа, вытесняющего воздух из плавильного пространства и защищающего расплавленный металл от воздействия кислорода и азота (рис. 1.6). В качестве защитной среды обычно используют углекислый газ, а последнее время аргон или их смеси. В ходе процесса отсутствуют вредные выделения или шлаковые корки, возможно легко корректировать процесс, проводить наплавку при различном пространственном

12

положении наплавляемой поверхности. Вместе с тем процесс имеет сравнительно низкую производительность; характеризуется повышенным разбрызгиванием металла и значительным термическим воздействием на деталь, вследствие чего в наплавленном слое имеется значительная доля основного металла; в ряде случаев требуется применение специальных проволок.

_j

7 — насос для подачи охлаждающей жидкости; 8 — восстанавливаемая деталь.

13

Рис. 1.6. Схема наплавки в защитных газах: а) плавящимся электродом: 6) неплавящимся электродом дугой

Электроконтактная приварка. Процесс заключается в приваривании к поверхности детали стальной ленты, проволоки или порошка с помощью мощных электрических импульсов (рис. 1.7). Толщина ленты составляет 0,2—1,5 мм, в том числе учитывается припуск на последующую механическую обработку в пределах 0,2—0,5 мм. Способ имеет высокую производительность. Металл прогревается на небольшую глубину, чем обеспечивается стабильность химического состава и свойств покрытия, не требуется применения флюсов и защитных газов. Вместе с тем для реализации способа необходимы специальные установки и возникает возможность несплавления отдельных участков наплавляемого слоя с основным металлом. Одной из разновидностей такого способа является электроконтактное припекание металлических порошков (рис. 1.8).

14

Рис. 1.8. Схема электроконтактного припекания металлических порошков: Р — прижимное усилие; 1 — пневмоцилиндр; 2 — электрод-ролик;

3 — металлический порошок; 4 — восстанавливаемая деталь;

5 — напеченный слой; б — трансформатор.

15

Индукционная наплавка. Способ основан на использовании энергии токов высокой частоты для разогрева наплавляемого металла (рис. 1.9). Его основными преимуществами являются универсальность оборудования, небольшой расход наплавочных материалов, высокие механические и эксплуатационные свойства покрытий. Известно много разновидностей индукционной наплавки, среди которых армирование расплавленного поверхностного слоя основного металла присадками; заливка жидкого присадочного металла на подогретый основной слой; погружение подогретой детали в тигель с расплавленным металлом; центробежная заливка; расплавление специальной порошковой шихты, наносимой на упрочняемую поверхность, и др. Основной недостаток способа — невозможность упрочнения валов.

Электроискровая наплавка. Основана на том, что при сближении двух электродов происходит электрический разряд, при котором выделяется энергия, достаточная для расплавления частицы металла (рис. 1.10, 1.11). Расплавленные частицы, достигнув поверхности детали, свариваются с ней и происходит адгезия материала катода с материалом детали анода. Формирование поверхностного слоя происходит в результате суммарного действия всех физико-химических процессов на всех этапах формирования покрытия. Температура в зоне контакта достигает свыше 10 000°С. Эти мгновенные, следующие друг за другом импульсы вызывают существенные изменения в структуре поверхностного слоя стали и наплавленного металла, позволяют использовать для наплавок тугоплавкие материалы, например, твердые сплавы.

16

К основным особенностям электроискровой наплавки можно отнести возможность локальной обработки поверхности (наплавку можно осуществлять в строго определенном месте, не защищая остальную поверхность детали); отсутствие нагрева детали в процессе обработки; высокую прочность сцепления нанесенного материала с основой; отсутствие необходимости специальной предварительной подготовки обрабатываемой поверхности.

R

А—рабочий электрод-анод; К— деталь-катод; С— емкостный накопитель энергии; Д; — выпрямитель; R/ — балластное сопротивление; Rj — токоограничительное

сопротивление; Д2 —разделительный вентиль; Б — бункер с порошком.

Рис. 1.11. Принципиальная электрическая схема электроискровой установки для наплавки:

1 — деталь; 2 — электрод; 3 — электромагнитный вибратор.

Внастоящее время известны две разновидности электроискровой наплавки. В первом случае импульсные разряды возбуждаются при периодическом контактировании электрода-анода с деталью-катодом. Во втором —

вмежэлектродный промежуток вводится дисперсный материал (порошок). Этот вариант позволяет получить более толстые слои наплавки, расширить гамму наносимых материалов, повысить производительность процесса.

Всвязи с тем, что нанесенное покрытие имеет значительные неровности и поры, электроискровая наплавка сопровождается одновременно действующим или последующим поверхностным пластическим деформированием, повышающим плотность слоя. Это снижает шероховатость обрабатываемой поверхности и уменьшает остаточные растягивающие напряжения, повышающие усталостную прочность деталей. Шероховатость поверхности уменьшается в 1,2—1,3 раза при использовании в ходе электроискровой наплавки вращающегося магнитного поля.

Электроискровая наплавка применяется в основном для упрочнения режущих инструментов.

Лазерная наплавка. Лазерная наплавка осуществляется путем нанесения покрытия на металлическую основу с использованием энергии лазерного излучения при сохранении химического состава слоя, характерного для наплавляемого материала (рис. 1.12). Процесс происходит с минимальным перемешиванием наплавляемого материала и материала основы в ограниченной по величине зоне контакта (расплавленная ванна-основа). Наносимый материал может быть подан в зону наплавки в форме прутка, полосы или порошка. При расплавлении наплавляемого материала могут протекать реакции, проходящие с поглощением и с выделением тепла, что может оказывать влияние на величину энергии, необходимой для реализации наплавки. Взаимодействие концентрированного потока электромагнитного излучения с материалом мишени и атмосферой может приводить к образованию плазмы, наличие которой снижает поступление энергии к поверхности образца. Целесообразно использовать порошковые материалы в виде обмазки на основе связующего вещества, повышающего поглощение энергии излучения, либо вводить в состав наплавочной композиции материалы, имеющие низкую температуру плавления, так как при достижении температуры плавления или состояния, близкого к нему, поглощение излучения возрастает практически до 100%.

18

Рис. 1.12. Структурная схема лазерной установки:

1 — оптический квантовый генератор; 2 — система излучения лазера; 3 — оптическая система; 4 — восстанавливаемая деталь;

5 —устройство для закрепления и перемещения восстанавливаемой детали;

10 — датчик параметров технологического процесса.

При лазерном оплавлении порошковых паст (шликеров) наиболее важным является выбор связующего вещества для приготовления пасты. Возникновение сажеобразных продуктов сгорания приводит к выбрасыванию порошка из зоны и периодической экранировке излучения. В результате образуются швы с большим коэффициентом перемешивания материалов основы и покрытия, переменной глубиной проплавления и невысоким содержанием легирующих элементов в слое. Хорошие результаты получены при использовании паст на нитроцеллюлозной основе с небольшим содержанием сухого остатка (цапон-лак, клейстер). Недостатком процесса является то, что при формировании наплавленного валика-слоя по обеим сторонам на поверхности могут образовываться дефектные зоны.

19