Источник: www.welder.ru

Среди способов изготовления новых деталей с износо- и коррозионностойкими свойствами поверхности, а также восстановления размеров изношенных и бракованных деталей за счет нанесения покрытий, обладающих высокой плотностью и прочностью сцепления с изделием, работающих в условиях высоких динамических, знакопеременных нагрузок или подверженных абразивному изнашиванию, важное место занимают технологии наплавки.

К основным термическим способам наплавки относятся: электродуговая, электрошлаковая, плазменная, электроннолучевая, лазерная, индукционная, газовая и печная. В последнее время наиболее активно внедряют технологию плазменной наплавки проволочными и порошковыми материалами. В связи с широкой универсальностью использования различной гаммы выпускаемых присадочных порошков процесс плазменной наплавки порошковыми материалами наиболее эффективен. НПФ "Плазма-центр" является разработчиком технологии и оборудования для новых процессов - плазменной наплавки-напыления и скоростной плазменной наплавки.

Плазменная наплавка-напыление.

В настоящее время среди способов порошковой плазменной наплавки наибольшее распространение в России имеет способ, при котором используют прямую дугу, горящую между электродом и изделием. В то же время за рубежом данный способ не получил серьезного развития, там наиболее активно используют так называемый РТА - процесс (plasma transferred arc). При этом способе действуют одновременно основная дуга (горящая между электродом и изделием) и пилотная или косвенная дуга (горящая внутри плазмотрона между электродом и плазмообразующим соплом). В связи с тем, что процесс нанесения покрытий только косвенной дугой в России называется плазменным напылением, новая технология получила название плазменная наплавка-напыление.

Таким образом, процесс плазменной наплавки-напыления - это способ нанесения порошковых покрытий толщиной 0,5-4,0 мм с гибким регулированием ввода теплоты в порошок и изделие плазмотроном с двумя дугами - основной и пилотной.

Поскольку покрытия, наносимые способом плазменного напыления, ограничены толщиной порядка 1 мм, за пределами которой проявляется тенденция к растрескиванию (вследствие высоких внутренних напряжений), а покрытия, наносимые плазменной наплавкой традиционным способом с использованием только основной дуги, связаны с оплав-лением основного металла и его перемешиванием с присадочным материалом (соответственно, с отсутствием необходимых свойств покрытия в первом наплавленном слое), то разработка гибридного процесса, совмещающего положительные характеристики процессов наплавки и напыления является актуальной задачей.

Качество нанесенных покрытий способом плазменного напыления зависит от большого числа входных параметров. При этом в настоящий момент не существует количественных неразрушающих методов контроля качества плазменных напыленных покрытий. Поэтому получение беспористых покрытий с максимальными адгезионными свойствами за счет использования второго источника теплоты - основной дуги, позволило бы значительно повысить качество и эксплуатационные характеристики покрытий.

Процесс плазменной наплавки-напыления (РТА-процесс) обеспечивает использование пилотной дуги для расплавления присадочного порошка и основной дуги для поддержания необходимой температуры частиц порошка на детали. Увеличение времени нахождения частиц порошка при высокой температуре способствует максимальному сцеплению и уплотнению частиц с минимальным перегревом поверхности детали. Оптимизация основных характеристик процесса (токов основной и пилотной дуги, расстояния до изделия, скорости подачи порошка и скорости перемещения плазмотрона) выявило минимальную чувствительность к скорости подачи порошка и в определенных пределах к скорости перемещения плазмотрона.

При анализе микроструктуры самофлюсующихся покрытий, нанесенных способом плазменной наплавки-напыления, было отмечено получение литой структуры (в отличие от слоистой структуры, типичной для процессов плазменного напыления), а также отсутствие пористости (около 0,3%). Микротвердость покрытия составила 800 HV. Зона термического влияния зафиксирована порядка 0,5 мм, в то время как при плазменной наплавке она составляет 3-4 мм.

Процесс плазменной наплавки-напыления наиболее часто используют для наплавки автомобильных и судовых клапанов, различных экструдеров и шнеков, посадочных мест деталей арматуры, при нанесении абразивостойких покрытий на основе карбидов вольфрама и др.

Скоростная плазменная наплавка (СПН) - это механизированная плазменно-порошковая наплавка тел вращения, при которой специальное расположение плазмотрона и порошкового дозатора относительно наплавляемой детали обеспечивает эффективное высокоскоростное нанесение покрытий с качеством, равнозначным качеству, получаемому при использовании технологий газотермического напыления с последующим оплавлением. Подача порошкового материала осуществляется за счет собственной силы тяжести и текучести, а его перенос непосредственно в зону пятна нагрева плазменной дуги в жидком состоянии многократно повышает скорость наплавки и обеспечивает ее регулирование в широких пределах (от 3 до 18 м/мин и выше). При этом осуществляется высокоскоростной процесс вращения наплавляемой детали без оплавления поверхности основного металла. Порошок из бункера дозатора самотеком подается в корпус, имеющий запорную иглу, и через калиброванное отверстие дозирующей вставки струйным потоком поступает в высокотемпературную область столба плазменной дуги и переносится на наплавляемую поверхность детали. Аналогом процесса может служить процесс газотермического напыления самофлюсующихся порошков с последующим их оплавлением. Но при СПН интегральная температура восстанавливаемых деталей значительно меньше, чем при оплавлении газотермических покрытий, и не превышает 200-300 °С. Это способствует получению минимальных деформаций в изделии.

Технологический процесс СПН предусматривает очистку наплавляемых поверхностей от различных загрязнений (масла, пыли, ржавчины), устранение дефектов (трещин, задиров, заусенцев, овальности, предыдущего упрочняющего слоя), а также, при необходимости, дефектацию поверхности. В качестве присадочного материала используются износостойкие и теплостойкие порошки на основе железа, никеля, кобальта размером 40-100 мкм. Плазмообразующим и защитным газом служит аргон с общим расходом 7-9 л/мин. Наплавку производят на токе прямой полярности в непрерывном или импульсном режиме. Оптимальная толщина наносимых покрытий 0,3-2,0 мм, производительность наплавки 130-200 см2/мин.

Оборудование для СПН состоит из сварочного источника питания, плазмотрона, порошкового дозатора, а также манипулятора для перемещения детали и плазмотрона. В качестве источника питания используют установки УПВ-301 или сварочные источники с падающей характеристикой, дополненные специальным блоком аппаратуры, а также установки для плазменной обработки УПС-301, УПНС-304, УПО-302, УПН-303 после их модернизации. Для вращения восстанавливаемых деталей рекомендуют применять токарные станки невысокой точности.

Качество процесса СПН определяют по отсутствию в наплавленном слое дефектов визуально или другими способами.

Основные требования безопасности при СПН: наличие вытяжной вентиляции и защита органов зрения от излучения.

По сравнению с плазменно-дуговой наплавкой традиционным способом СПН имеет преимущества:

высокую производительность нанесения покрытий (скорость наплавки традиционным плазменно-дуговым способом не превышает 70 м/ч);
повышенную длительность и стабильность непрерывной работы в связи с подачей порошка вне зоны плазмотрона;
минимальное термическое воздействие на основной металл;
отсутствие перемешивания основного и наплавленного металла;
высокий коэффициент использования присадочного материала;
высокую стабильность процесса;
высокую равномерность наплавленного слоя;
минимальные деформации наплавленной детали и малые припуски на механическую обработку;
простоту эксплуатации наплавочного оборудования;
высокий уровень механизации технологического процесса.

СПН наиболее эффективно используют при изготовлении и восстановлении деталей сельскохозяйственных и дорожных машин, автомобильной и тракторной техники, механизмов бумагоделательных производств, деталей нефтяного и газового оборудования, электродвигателей и насосных станций, штампового и металлообрабатывающего оборудования и др. Примерами восстанавливаемых деталей способом СПН являются: кулачковые валы газораспределительных механизмов и топливных насосов; коленчатые валы компрессоров; валы и оси трансмиссий; золотники, штоки, плунжеры гидросистем; отверстия шатунов двигателей внутреннего сгорания, посадочные отверстия в блоках цилиндров; валы-шестерни масляных насосов, втулки нагруженных насосов; поворотные кулаки, вилки полуоси, цапфы; клапаны с износом фаски и стержня; крестовины кардана; шнеки смесителей и транспортеров сыпучих материалов; протяжки, ножи, диски, штампы; детали нефтеперекачивающего оборудования и т. п.

Экономическую эффективность СПН определяют исходя из программы производства и вида продукции, при этом учитывают повышение долговечности деталей и узлов при снижении расхода порошковых материалов и затрат на обработку наплавленного металла, а также экономию газа.