Наплавка и напыление

Сущность и техника особых способов наплавки

Кроме описанных выше 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 (рисунок 12).
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