Наплавка и напыление

Сущность и техника особых способов наплавки

Кроме основных способов наплавки, достаточно широко применяемых в промышленности, имеется ряд других, имеющих ограниченное применение. Это наплавка с разделенными процессами тепловой подготовки наплавляемого металла и наплавляемой детали, наплавка токами высокой частоты, вибродуговая, дуговая лежачим электродом, вакуумно-дуговая испаряющимся электродом, газотермическая наплавка и напыление с использованием гибких шнуровых материалов.

Наплавку с разделенными процессами тепловой подготовки применяют в основном при наплавке более легкоплавкого сплава (например, на основе меди) на сталь. В настоящее время процесс реализуется в виде выливания расплавленного в тигле наплавляемого металла на предварительно заформованную (для соответствующего фиксирования месторасположения жидкого наплавляемого металла) деталь, предварительно отдельно подогретую в печи. Для обеспечения смачивания и сцепления наплавляемого металла с деталью наплавляемую поверхность при нагреве детали в печи защищают от окисления флюсом. Способ трудно поддается механизации, трудоемкий, но обеспечивает хорошее качество наплавленного слоя.

Наплавка токами высокой частоты осуществляется расплавлением наложенной на наплавляемую поверхность смеси флюса и порошка наплавочного сплава (например, зернистого сормайта) посредством подводимого индуктора, обеспечивающего выделение достаточной тепловой мощности. Сормайт нагревается до температуры его плавления (-1150 0С). Толщина получаемого слоя более 0,4 мм. Производительность наплавки довольно высока.
Вибродуговую наплавку выполняют вибрирующим электродом диаметром 1,5 ... 2 мм, причем в результате его вибрации механическим путем или при помощи электромагнита с частотой до 30 ... 100 1/с и амплитудой 0,5 ... 1 мм дуга закорачивается на наплавляемое изделие и снова возбуждается. При каждом коротком замыкании часть наплавляемого электрода остается на поверхности. Толщина слоя получается небольшой. Так как в зону наплавки все время подаются охлаждающая жидкость (обычно водный раствор кальцинированной соды) или потоки воздуха, изделие прогревается и деформируется очень мало. Ускоренное охлаждение способствует повышению твердости наплавленного металла. Наиболее часто этот способ применяют при наплавке цилиндрических изделий небольшого диаметра (рисунок 10). Выполняют вибродуговую наплавку и под флюсом.

Дуговую наплавку лежачим электродом или пластиной осуществляют посредством зажигания дуги между наплавляемым изделием и пластиной, наложенной на него над прослойкой гранулированного флюса толщиной 3 ... 5 мм (рисунок 11,а). Дуга по мере оплавления пластины перемещается, вызывая ее расплавление и наплавление соответствующего количества металла на изделие. При надлежащей подготовке процесс происходит достаточно устойчиво. По аналогичной схеме возможна наплавка во внутренних полостях деталей по образующей (рисунок 11,б).

1 - наплавляемое изделие;

2 - сопло для подачи охлаждающей изделие жидкости;

3 - сопло для подачи жидкости в зону сварки; 

4 - электродная проволока;

5 - электродоподающие ролики;

6 - электромагнитный вибратор;

7 - пружина

Рисунок 10. Вибродуговая наплавка

а) схема наплавки лежачим пластинчатым электродом:
1 - подвод тока; 2 - медная плита; 3 - электрод; 4 - легирующая обмазка; 5 - флюс; 6 - изделие;
б) пример применения наплавки лежачим электродом для восстановления изношенной проушины трака:
1 - стержень; 2 - покрытие

Рисунок 11. Наплавка лежачим пластинчатым электродом

Инертно-плазменное напыление

ИПН используется для высококачественного нанесения любых порошковых материалов на поверхность изделий. Процесс осуществляется в зависимости от требований к покрытиям в открытой камере или в камере с контролируемой средой и давлением. Оригинальная конструкция плазмотрона позволяет получить достаточно высокой мощности плазменную струю из аргона при относительно низком значении тока дуги (до 300 А). Можно применять смеси газов на основе аргона с добавлением азота, водорода, гелия. Создаются наполненные профили температуры и скорости плазмы. Равномерный нагрев и ускорение напыляемого материала. Исключается нежелательный эффект химического взаимодействия материала с активными составляющими плазмы. Обеспечиваются высокое качество покрытий и стабильность процесса напыления.

Область применения:

Упрочнение поверхности ответственных узлов и деталей машин и механизмов. Нанесение легко окисляющихся материалов. Создание изделий из композиционных материалов практически любого состава и соотношения.

Воздушно-плазменное напыление

Высокое качество покрытий (особенно керамических), возможность напыления практически любых металлов, простота используемого оборудования в результате нет баллонов со сжатыми газами, низкая себестоимость напыленных покрытий, простота управления.

Напыленные методом ВПН покрытия не ниже, а в некоторых случаях выше, чем покрытия, полученные традиционным плазменным напылением (ТПН) с использованием оборудования известных фирм.

Область применения:

Восстановление изношенных деталей различных машин и механизмов. Изготовление изделий методом плазменного формования с уникальными характеристиками и параметрами.

Сверхзвуковое плазменное напыление

Плазменное напыление сверхпрочных покрытий на различные детали и изделия реализуется с помощью метода сверхзвукового напыления. Этот метод применим для коленчатых валов даже самых больших машин (типа МАЗ, КАМАЗ, КрАЗ), коленчатых валов судовых дизелей, шаровых клапанов вентилей, матриц пресс-форм, гребней шнеков и других аналогичных деталей.

Сверхзвуковая плазменная установка для напыления высокопрочных покрытий включает источник питания типа АПР 404, камеру для напыления и устройство перемещения детали в зависимости от её размеров и габаритов дозатор порошка, сверхзвуковой плазмотрон и пульт управления. не поставляется.

Покрытия, реализуемые сверхзвуковым способом, характеризуются максимальными данными по плотности и пористости. Лучшими данными по износостойкости.

Область применения:

Нанесение сверхпрочных покрытий на некоторые изделия, преимущественно валы тяжелых машин, судовых колен валов и других деталей спец. назначения.

Газопламенное напыление

Газопламенное напыление применяют для нанесения покрытий из порошковых материалов (металлов, сплавов, некоторых видов керамики, пластмасс) в мобильных (трассовых) условиях на различные изделия.

Область применения:

Упрочнение различных деталей машин и механизмов преимущественно антикоррозионных покрытий в условиях трассы и других мобильных условиях.

Недостатками любого метода газотермического напыления или наплавки, использующего для нанесения покрытий порошковые материалы, является сложность обеспечения стабильности свойств и надлежащего уровня качества покрытий, получаемых из многокомпонентных механических смесей порошков, что вызвано сегрегацией компонентов при смешивании и транспортировании смеси из дозирующих устройств в струю. Сегрегация приводит к неравномерности формирования структуры, увеличению пористости, снижению прочности и ухудшению эксплуатационных характеристик покрытий.

Указанных недостатков лишены системы газопламенного напыления, использующие в качестве распыляемого материала стержни, изготовленные высокотемпературным спеканием или экструзией порошков со связующим. Малая длина стержней не дает возможности выполнять процесс напыления непрерывно, что ограничивает возможности применения данного метода.

Получение покрытий с заданными свойствами, в том числе и из многокомпонентных механических смесей порошков различного гранулометрического состава, обеспечивается при использовании гибких шнуровых материалов (ГШМ). Они специально разработаны для использования в системах газопламенного напыления, а также для ручной газопламенной наплавки и представляют собой получаемый экструзией композиционный материал шнурового типа, состоящий из порошкового наполнителя и органического связующего, полностью исчезающего при нанесении покрытия - связующее сублимирует в процессе нагрева при температуре 400 0С без какого-либо отложения на подложку. Прочность и эластичность гибких шнуров позволяет пользоваться ими так же, как и проволокой и наносить покрытия с помощью газопламенных аппаратов проволочного типа. Метод газопламенного напыления отличается экономичностью, простотой аппаратурного оформления и надежностью оборудования для нанесения покрытий, что позволяет использовать его там, где требуется соблюдение непрерывности и стабильности технологического процесса. В цеховых условиях процесс газопламенного напыления может быть механизирован или автоматизирован. Кроме того, небольшая масса и мобильность ручных аппаратов позволяет использовать их для обработки крупногабаритных деталей и металлоконструкций в полевых условиях.

Технология изготовления гибких шнуровых материалов позволяет получать в составе шнуров практически любые сочетания различных порошковых материалов, отличающихся по гранулометрическому составу. Стабильная подача шнурового материала в высокотемпературную зону газового потока по оси струи, аналогично достигаемой при распылении стержней и проволок, а также правильный подбор состава компонентов порошковых смесей и размера частиц порошков гарантирует расплавление всех составляющих порошкового наполнителя шнура, в том числе и керамики. Это обеспечивает получение следующих преимуществ по сравнению с традиционными методами газотермического напыления и наплавки:

• повышение коэффициента использования напыляемого материала;
• повышение прочности сцепления покрытий с основой при напылении (адгезия);
• повышение прочности сцепления напыленных частиц между собой (когезия);
• повышенная скорость распыляемых частиц в газовом потоке позволяет наносить покрытия с пониженной пористостью, достигаемой при использовании газопламенного порошкового напыления;
• катушечная намотка гибкого шнура позволяет автоматизировать операцию напыления.

При использовании ГШМ достигается высокая производительность и экономичность напыления и наплавки. Этот факт подтверждается возрастающим в мире спросом на шнуровые материалы, особенно на материалы из оксидной керамики и карбида вольфрама.

Технологический процесс производства деталей с покрытиями, получаемыми с помощью шнуровых материалов, включает операции предварительной мойки, обезжиривания, абразивно-струйной обработки заготовок, газопламенного напыления, сплавления покрытий (при использовании гибких шнуровых материалов на основе самофлюсующихся сплавов системы Ni(Co)-Cr-B-Si) и последующей размерной обработки деталей. Операция газопламенного напыления может быть заменена на операции газопламенной, плазменной или электродуговой неплавящимся электродом наплавки. При этом можно использовать стандартное промышленное оборудование.

1- пистолет-распылитель; 2 - стойка для катушек и пульта; 3 - пульт управления; 4 - блок подготовки воздуха; 5,10,13 - регуляторы расхода соответственно воздуха, кислорода и горючего газа; 6,8,11 - регуляторы давления соответственно воздуха, кислорода и горючего газа; 7, 9,12 - манометры соответственно сжатого воздуха, кислорода и горючего газа; 14,15 - штуцеры входа соответственно горючего газа и кислорода; 16,17,18 - штуцеры выхода соответственно горючего газа, кислорода и воздуха; 19 - пламягасители; 20,21, 22 - шланги соответственно горючего газа, кислорода и сжатого воздуха; 23 - баллон для горючего газа; 24 - редуктор горючего газа; 25 - кислородный баллон; 26 - кислородный редуктор.

Рисунок 12. Схема установки для газопламенного напыления