Главная страница | Контакты | Случайная страница Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Восстановление деталей машин плазменными методами

Плазменные методы восстановления деталей машин основываются на использова­нии теплофизических свойств ионизированного газа (плазмы). Так как выделить плазму в чистом виде весьма трудно, то для технических целей используют дуговой разряд, обогащенный плазмой, т.е. в дуговом разряде наряду с заряженными частицами (ионами и электронами) содержатся и нейтральные частицы. Такое состояние газа называется низкотемпературной плазмой (температура на выходе из сопла плазмотрона около 5000... 7000 К).

В качестве плазмообразующих газов самостоятельно могут быть использованы ар­гон, азот, гелий, аммиак. Водород и кислород применяются в смеси с аргоном, азотом.

В комплект оборудования для плазменной обработки входят следующие узлы: плазмотрон; механизм транспортирования порошковых и проволочных материалов; пульт управления, в котором сосредоточены измерительные, регулировочные и блоки­ровочные устройства; источник питания дуги; источник и приемник охлаждающей во­ды; комплекс коммуникаций, соединяющий отдельные узлы установки и обеспечиваю­щий подвод к плазмотрону газов, электроэнергии, охлаждающей воды.

Плазменное напыление. Для восстановления изношенных поверхностей плазмен­ным напылением широкое применение получили самофлюсующиеся сплавы системы Ni-Cr-B-Si, в которые нередко добавляют карбиды, бориды тугоплавких металлов (вольфрама, молибдена, ванадия) для образования композиционных сплавов с более вы­сокими физико-химическими свойствами. Весьма эффективно использование биметал­лических терм о реагирующих порошковых сплавов (например, Al + Ni), обладающих экзотермическими свойствами, повышающими прочность сцепления покрытия с осно­вой и физико-химические свойства в целом. Их применяют в качестве подслоя или для напыления основного слоя.

Технологический процесс восстановления деталей плазменным напылением вклю­чает следующие операции: подготовка порошка и поверхности детали, напыление и ме­ханическая обработка напыленного покрытия.

Подготовка порошка заключается в его сушке при температуре 150... 200 °С и про­сеивании через сито с размером ячеек, не превышающим 200 мкм.

Подготовке поверхности детали к напылению должно уделяться первостепенное значение, поскольку от ее качества в значительной мере зависит прочность сцепления порошка с поверхностью детали. Детали, подлежащие напылению, очищают от грязи, моют, просушивают, после чего подвергают механической обработке, с целью создания на поверхности необходимой шероховатости, которая оказывает существенное влияние не только на прочность сцепления напыляемого материала с подложкой, но и на уста-

Рис. 12.7. Плазменное напыление порошком (в) и проволокой (б): 1 - подвод плазмообразующего газа; 2 - катод плаз матрона; 3 - корпус катода; 4 - изолятор; 5 - корпус анода; 6 - порошковый питатель; 7- подвод газа, транспортирующего порошок; 8- плазменная струя; 9- источник питания (И П)

лостную прочность восстанавливаемой детали. Наиболее рациональный метод создания шероховатости - дробеструйная обработка чугунной крошкой с размером частиц 1... 2 мм при давлении воздуха 0,5... 0,6 МПа. Напылять покрытия следует сразу после дро­беструйной обработки, так как уже через 2 ч ее эффективность уменьшается из-за увеличения па обрабатываемой поверхности оксидной пленки.

При плазменном напылении в качестве напыляемых материалов применяют по­рошки (рис. 12.7, а), проволоки и прутки (рис. 12.7, б).

Более технологичным является использование порошков. Частицы порошка, пода­ваемые в зону плазмообразования, нагреваются в плазменной струе до оплавления или расплавления и направляются с определенной скоростью (50... 200 м/с) на поверхность детали, ударяясь о которую, деформируются, растекаются, кристаллизуются, образуя слоистые покрытия.

В зависимости от свойств напыляемых металлических частиц, способа и режима напыления частицы могут достигать подложки в жидком, пластичном или твердом со­стоянии. Экспериментально определено, что для получения более высокой прочности сцепления частицы должны быть нагреты не ниже 90 % температуры их плавления.

Повышению прочности сцепления способствует также предварительное напыление подслоя толщиной не более 0,1 мм из металлов (сплавов), образующих прочные химиче­ские связи в результате взаимодействия с подложкой (молибден, сплавы на никелевой основе, содержащие алюминий, титан и др.). Весьма перспективно напыление компо­зиционным порошком (NI-A1): в результате алюмотермической реакции образуется по­крытие - алюминид никеля, отличающийся высокой стойкостью к окислению и более высокой температурой плавления (1640 °С), чем составляющие его металлы.

Существенным недостатком напыляемых покрытий является их пористость, что объясняется небольшой площадью контакта, как между частицами, так и между части­цами и подложкой. При воздействии на такой слой сравнительно невысоких нагрузок

Рис. 12.8. Плазменное напыление с последующим оплавлением:

1 - ИП; 2 — балластный реостат; 3 - порошковый питатель;

4 - плазматрон; 5. 6- ввод и вывод охлаждающей жидкости;

7 — ввод наплавляемого порошка; 8 - напыляемая деталь

велика вероятность его отслоения. Для улучшения качества напыленных покрытий их подвергают последующему оплавлению (рис. 12.8), Для последующего оплавления при­годны те напыленные твердые сплавы, которые обладают способностью самофлюсова­ния. Это сплавы на никелевой основе. Наряду с плазменным нагревом для оплавления покрытий используют газопламенный, аргонодуговой способы и токи высокой частоты. Твердость оплавленных порошковых смесей составляет49... 53 HRC, износостойкость в 5 раз превышает износостойкость стали 45, сопротивление усталости повышается да 20...25%, прочность сцепления покрытия с подложкой достигает 400 МПа.

Однако несмотря на то, что способ напыления с оплавлением позволяет получать высококачественные износостойкие покрытия с необходимым припуском под механиче­скую обработку, широкого применения для восстановления деталей он не получил из-за следующих недостатков. Процесс напыления с оплавлением является трудоемким и по Производительности уступает процессам получения покрытий наплавкой и электроли­тическими способами. Применение дорогих само флюсующихся порошков значительно повышает себестоимость восстановления. Нагрев покрытия и детали при оплавлении достигает 1100 °С, что выше температур фазовых превращений, поэтому все недостат­ки, характерные для наплавки, присуши и этому способу.

Методами плазменного напыления можно получить покрытия толщиной в несколько миллиметров, однако с увеличением толщины слоя свыше 1... 1,3 мм прочность его сцепления с подложкой снижается, поэтому наиболее целесообразно восстанавливать детали с износом, не превышающим 0,4... 0,6 мм.

Плазменное напыление целесообразно применять для восстановления деталей, не подверженных значительным динамическим нагрузкам; изготовленных из чугуна и алюминия, трудно поддающихся восстановлению другими способами; изготовленных из любых сплавов, но при восстановлении которых не допускаются деформации. К та­ким деталям относятся корпусные детали автомобилей, тракторов, у которых изнаши­ваются посадочные места; гнезда блока под вкладыши коренных подшипников, гнезда картеров коробок передач, опорные буртики и посадочные пояски гильз цилиндров, по-­

верхность нижней головки шатуна и др. Значительную номенклатуру составляют валы, изготовленные из чугуна, стали 45, легированных сталей, с изношенными посадочными местами: валы коробок передач, ходовой части машин и др. Плазменное нанесение по­крытий экономически целесообразно при восстановлении большого количества деталей.

Плазменная наплавка. Более технологичным и производительным является способ плазменной наплавки, который заключается в создании на восстанавливаемой поверхно­сти под действием плазменной струи расплава присадочного материала. После затверде­вания формируется наплавленный слой с заданными физико-механическими свойства­ми.

При упрочнении и восстановлении деталей в зависимости от их формы, условий работы применяют несколько разновидностей плазменной наплавки, отличающихся ти­пом присадочного материала, способом его подачи на изношенную поверхность и видом используемой сжатой дуги. При плазменной наплавке применяют дугу прямого действия - дуга образуется между вольфрамовым электродом и токоведущей присадочной про­волокой при электрически нейтральной детали.

Плазменную наплавку можно выполнять одиночными валиками, при наплавке ци­линдрических деталей по винтовой линии, а также с применением колебательного меха­низма (для широких слоев).

В качестве наплавочных материалов широко применяют следующие марки порош­ковых сплавов: ПГ-Cl, ПГ-УС25, ПГ-С27, ПГ-ФБХ62, ПГ-Л101, а также различные композиции этих сплавов с хромоникелевым порошковым сплавом ПГ-СР4. Ко всем сплавам добавляют 6... 8 % порошкового алюминия. Альтернатняой традиционным сплавам в настоящее время стало создание диффузионно-легированных (ДЛ) самофлю- сующихся порошков, состоящих из ядра (серийно выпускаемые металлические порош­ки, измельченная металлическая стружка) и диффузионной оболочки, содержащей бор и кремний. ДЛ-порошки при меньшей (в несколько раз) стоимости позволяют эффективно восстанавливать и упрочнять функциональные поверхности деталей. Грануляция по­рошков для плазменной наплавки должна находиться в пределах 200... 600 мкм. При­менение мелких частиц приводит к более интенсивному окислению и их частичному выгоранию. Кроме того, при их использовании часто забивается сопло плазмотрона.

Для предотвращения окисления металла в ванне расплава применяют подачу в зону наплавки защитных газов - аргона, азота или углекислого газа.

Универсальный способ плазменной наплавки - наплавка с вдуванием порошка в дугу, который, частично оплавляясь, переносится на поверхность изделия, оплавляемого дугой прямого действия (рис. 12.9). За счет широкого диапазона регулирования теплоты, идущей на нагрев порошка и детали, этот способ позволяет получать наплавленные слои высокого качества с минимальной глубиной проплавления. К недостаткам способа следует отнести сложность конструкций плазмотрона, его низкую надежность и боль­шие размеры, а также значительный расход газа.

При использовании наплавочной проволоки наиболее эффективна наплавка токо­ведущей проволокой. В этом случае сжатая дуга используется главным образом для плавления проволоки и в меньшей степени для подогрева детали (рис. 12.10). На­плавленный слой в основном образуется за счет теплоты перегретого наплавленно­го металла, смачивающего поверхность подогретого основного металла. Доля участия основного металла в первом наплавленном слое не превышает 4 %, что важно для обеспечения требуемых физико-механических свойств наплавки.

Наплавка прямой дугой токоведущей проволокой увеличивает производительность, но при этом возрастает глубина проплавления основного металла.

Заслуживает внимания способ плазменной наплавки двумя плавящимися проволо­ками, подключенными последовательно к источнику переменного тока, с помощью ко­торого они нагреваются до соответствующих температур и подаются в хвостовую часть ванны расплавленного металла, образованной сжатой дугой прямого действия (рис. 12.11). Производительность этого способа достигает 30 кг/ч.

Плазменную наплавку широко применяют для восстановления изношенных по­верхностей следующих деталей: стальных крестовин карданных шарниров и сателлитов дифференциалов; клапанов, распределительных и коленчатых валов автотракторных двигателей; алюминиевых поршней двигателей; чугунных корпусных деталей; изнаши­вающихся поверхностей деталей атомных реакторов; режущих кромок шнекобурильных машин; долот вращательного бурения; зубьев ковшей экскаваторов.

Толщина наплавляемого за несколько проходов материала может достигать 10 мм, однако наиболее эффективны наплавляемые слои до 2 мм при глубине проплавления ос­новного металла до 0,4... 0,6 мм. В этом случае обеспечиваются наиболее высокие физи­ко-механические свойства покрытий. Плазменная наплавка позволяет не только наплав­лять изношенные поверхности, но и устранять эксплуатационные дефекты в виде трещин (обычно глубиной до 3 мм).

Эффективность плазменной наплавки во многом определяется характером усло­вий эксплуатации восстановленного изделия и свойствами применяемых наплавочных материалов.

Рис. 12.11. Плазменная наплавка с подачей в ванну двух плавящихся проволок:

] - электродные токоведущие проволоки; 2 — источник переменного тока;

3 — защитное сопло; 4 -источник постоянного тока;

ЯГ - плазмообразующий газ; В - вода; ЗГ- защитный газ

Так, износостойкость клапанов двигателей после наплавки жаропрочными твер­дыми порошковыми сплавами возрастает в 1,8... 2 раза, по сравнению с новыми, а при­менение наплавочных порошков на основе релита или спеченного сплава ВК повышает износостойкость муфт геологоразведочных бурильных машин до 6... 8 раз.