3.6.3. Область применения и преимущества способа
Плазменная наплавка нашла применение при нанесении тонкослой- ных покрытий на поверхности ответственных деталей: коленчатых, кулач- ковых и распределительных валов, валов турбокомпрессоров, осей, кре- стовин карданных шарниров, направляющих оборудования, щек и седел задвижек, шнеков экструдеров и др.
Преимущества плазменной наплавки по сравнению с другими спосо- бами нанесения покрытий сводятся к следующему. Гладкая и ровная поверх- ность покрытий позволяет оставлять припуск на обработку 0,4…0,9 мм. Ма- лая глубина проплавления (0,3…3,5 мм) и небольшая зона термического влияния (3…6 мм) обусловливают долю основного металла в покрытии не более 5 %. Небольшое вложение тепла в заготовку обеспечивает неболь- шие деформацию и термические воздействия на структуру основы. При из- готовлении детали обеспечивается высокая износостойкость наплавленных поверхностей. Наблюдается снижение усталостной прочности деталей на
10…15 %, что намного меньше, чем при использовании ряда других видов наплавки. Плазменная наплавка тонкослойных покрытий составляет кон- куренцию нанесению электрохимических покрытий.
Плазменное напыление основано на использовании энергии плаз- менной струи как для нагрева металла, так и для переноса его частиц.
В качестве плазмообразующих газов используют гелий, аргон, азот, водород и их смеси. Гелий и водород в чистом виде практически не при- меняются по экономическим соображениям, а также вследствие разру- шающего действия на электрод. Аргон и азот используют чаще, однако наилучшими показателями обладают газовые смеси, например, Ar+N
2
и
Ar+H
2
. Вид плазмообразующего газа выбирают исходя из требуемых тем- пературы, теплосодержания и скорости потока, степени инертности газа к распыляемому материалу и восстанавливаемой поверхности. Следует учи- тывать, что плазма из многоатомарных газов по сравнению с плазмой из одноатомарных содержит большее количество тепла при одинаковой тем- пературе, потому что ее энтальпия определяется тепловым движением атомов, ионизацией и энергией диссоциации.
158
Плазменную струю получают в плазменной горелке, основные части которой (рис. 3.15) следующие: электрод-катод 1; водоохлаждаемое мед- ное сопло-анод 4, стальной корпус 2, устройства для подвода воды 3, по- рошка 5 и газа 6. Части корпуса, которые взаимодействуют с катодом и анодом, изолированы друг от друга.
Рис. 3.15. Плазменная горелка для напыления порошкового материала: 1 – элек- трод-катод; 2 – корпус; 3 – подвод охлаждающей воды; 4 – сопло-анод; 5 – подвод по- рошка; 6 – подвод плазмообразующего газа
Порошки подают питателем с помощью транспортирующего газа.
Возможен ввод порошка с плазмообразующим газом. Проволоку, шнур или их комбинации вводят в сопло плазменной горелки ниже анодного пятна или в плазменную струю вне сопла.
159
Порошки для плазменного напыления не должны создавать заторов в транспортных трубопроводах и должны равномерно подаваться в плазмен- ную струю. Этим требованиям удовлетворяют частицы сферической фор- мы диаметром 20…100 мкм.
В институте электросварки им. Е.О. Патона НАН Украины разработаны порош- ковые проволоки серии АМОТЕК. Эти материалы предназначены для нанесения изно- со- и коррозионностойких покрытий способами газопламенного, электродугового и плазменного напыления. Особенностью материалов является наличие аморфной со- ставляющей в структуре покрытий, которая обеспечивает комплекс повышенных слу- жебных свойств (износо- и коррозионностойкости, прочности соединения с основой).
При напылении порошковых или шнуровых материалов электриче- ское напряжение прикладывают к электродам плазменной горелки. При напылении проволочных материалов напряжение прикладывают к элек- тродам горелки, дополнительно оно может быть приложено к напыляемо- му материалу, т.е. проволока может быть токоведущей или нет. Напыляе- мую деталь в цепь нагрузки не включают.
Плазменные покрытия обладают жаростойкостью и жаропрочно- стью, эрозионной прочностью, тепло- и электроизоляцией, противосхваты- ваемостью, коррозионной стойкостью, защитой от кавитации, полупровод- никовыми, магнитными и другими свойствами. Они широко применяются при изготовлении и восстановлении деталей.
Высокие температура и скорость струи
позволяют наносить покры- тия из любых материалов, не диссоциирующих при нагреве, без ограниче- ний на температуру плавления. Плазменным напылением получают по- крытия из металлов и сплавов, оксидов, карбидов, боридов, нитридов и композиционных материалов.
Нормативные физико-механические свойства покрытий обеспечивают- ся высокими температурой плазмы и скоростью ее истечения, применением инертных плазмообразующих газов, возможностью регулирования аэроди- намических условий формирования металлоплазменной струи. В материале заготовки не происходят структурные преобразования, возможно нанесение тугоплавких материалов и многослойных покрытий из различных материалов с сочетанием плотных и твердых нижних слоев с пористыми и мягкими верхними (для улучшения прирабатываемости покрытий), износостойкость покрытий высокая, возможна полная автоматизация процесса.
Для защиты частиц напыляемого материала от окисления, обезугле- роживания и азотирования применяют газовые линзы (кольцевой поток инертного газа), являющиеся оболочкой плазменной струи, и специальные камеры с инертной средой, в которых происходит напыление.
160
Технологические режимы плазменного напыления определяются ви- дом и дисперсностью материала, силой тока плазменной струи и его на- пряжением, видом и расходом плазмообразующего газа, диаметром сопла плазменной горелки и расстоянием от сопла до напыляемой поверхности.
Дисперсность частиц материала, ток плазменной струи и расход плазмообразующего газа определяют
температуру нагрева частиц и их скорость перемещения, тем самым плотность и структуру покрытия.
Большая равномерность свойств покрытия обеспечивается при более высокой скорости перемещения плазмотрона относительно заготовки и меньшей толщине покрытия. Эта скорость незначительно влияет на коэф- фициент использования материала.
Расстояние от сопла до восстанавливаемой поверхности зависит от ви- да плазмообразующего газа, свойств напыляемого материала и изменяется в пределах 120…250 мм (чаще равно 120…150 мм). Угол между осью потока частиц и восстанавливаемой поверхностью должен приближаться к 90
о
Оптимальное сочетание теплосодержания потока плазмы, времени пребывания частиц в этом потоке и их скорости обеспечивает получение покрытий с высокими физико-механическими свойствами.
Наилучшей износостойкостью в нагруженных сопряжениях облада- ют покрытия из самофлюсующихся сплавов. Структура покрытия – высо- колегированный твердый раствор с включениями дисперсных металлопо- добных фаз (прежде всего боридных или карбидных) с размером частиц
1...10 мкм, равномерно распределенных в основе.
Область применения плазменных покрытий с последующим оплав- лением – это упрочнение поверхностей деталей, работающих в условиях знакопеременных и контактных нагрузок.
Для плазменного напыления металлических и неметаллических покры- тий (тугоплавких, износостойких, коррозионно-стойких) применяют уста- новки УН-115, УН-120, УПМ-6, УПУ-3Д, УПС-301, АПР-403, УПРП-201.
Плазменное напыление применяют в различных процессах упрочнения деталей.
Освоено несколько видов восстановления коренных опор блоков цилиндров.
Вначале использовали в качестве материала малоуглеродистую стальную проволоку
Св-08 для обеспечения однородной мелкодисперсионной структуры покрытия и повы- шения прочности соединения его с основой. Позднее были рекомендованы порошки.
Распространение получили композиционные порошки и порошки из бронзы, которые наносят на поверхности как чугунных деталей, так и деталей из алюминиевого сплава.
Предварительно должен быть нанесен термореагирующий подслой Al-Ni.
При восстановлении коренных опор в чугунных блоках цилиндров применяют бо- лее дешевый порошок грануляцией 160...200 мкм состава: Fe (основа), Cu – 5 % и Al – 1 %.
Режим нанесения покрытия: ток плазменной дуги – 330 А, напряжение – 70 В, расход
161
плазмообразующего газа (азота) – 25 л/мин; диаметр сопла плазмотрона – 5,5 мм; частота качаний плазмотрона – 83 мин
-1
; подача заготовки – 320 мм/мин, расход порошка –
7 кг/час.
Процесс нанесения плазменного покрытия на поверхности отверстий в деталях из алюминиевого сплава включает: сушку порошков при температуре 150...200 о
С в те- чение 3 часов, предварительное растачивание отверстий до размера, превышающего на
1 мм номинальный размер отверстия, установку защитных экранов, обезжиривание на- пыляемых поверхностей ацетоном, нанесение покрытия в два перехода (в первом пере- ходе наносят подслой ПН-85Ю15, во втором – основной слой из медного порошка
ПМС-Н), снятие защитных экранов. Режимы нанесения покрытий: сила тока – 220...280 А,
расход азота – 20...25 л/мин при давлении 0,35 МПа, расстояние от сопла до заготовки –
100...120 мм, время нанесения покрытия – 15 мин. Покрытие наносят на стенде. Плаз- мообразующее оборудование состоит из источника питания ИПН 160/600 и установки
УПУ-3Д или УПУ-8.
Применяют плазменное напыление при нанесении покрытий на плоскости голо- вок цилиндров из силумина. Технология включает предварительное фрезерование из- ношенной поверхности, нанесение покрытия и последующую обработку. В качестве материала покрытия применяют порошок из алюминия и железа, содержание железа в котором достигает 40...48 %. Режим нанесения покрытия: сила тока – 280 А, расстояние от сопла до заготовки – 90 мм, расход плазмообразующего газа (азота) – 72 л/мин.
При упрочнении юбок поршней из алюминиевого сплава наносят покрытие из по- рошка бронзы ПР-Бр.АЖНМц 8,5-4-5-1,5 (Al – 8,5 %, Fe – 4 %, Ni – 4,8 %, Mn – 1,4 %,
Cu – остальное). Используют установку УПУ-8. Режим нанесения: ток – 380 А, расстоя- ние от сопла до заготовки – 120 мм, плазмообразующий газ – смесь аргона с азотом.
При упрочнении коленчатых валов из высокопрочного чугуна наносят плазмен- ное покрытие из композиции порошков на термореагирующий подслой из материала
ПН-85Ю15. Состав композиции порошков: сплав Ni-Cr-B-Si – 50 %, железо ПЖ4 – 30 % и никель-алюминий ПН85Ю15 – 20 %. Режимы процесса: сила тока – 400 А, расстояние от сопла до заготовки – 150 мм, расход азота – 25 л/мин.
Микроплазменное напыление применяют при упрочнении участков деталей с размерами 5...10 мм. Используют плазмотроны малой мощно- сти (2,0...2,5 кВт), генерирующие квазиламинарную плазменную струю при силе тока 10...60 А. В качестве плазмообразующего и защитного га- зов применяют аргон. При микроплазменном напылении удается полу- чить диаметр металлоплазменной струи 1...5 мм. Процесс характерен низким уровнем шума (30...50 дБ) и небольшим количеством отработав- ших газов, что позволяет вести напыление в помещении без применения рабочей камеры. Создана установка микроплазменного напыления
МПН-001.
Вопросы для самоконтроля
1. Приведите сущность и характеристику напыления материалов. 2. Какие Вы знаете виды напыления? 3. С какой скоростью перемещаются частицы материала при различных видах напыления? 4. В каких процессах упрочнения деталей применяется плазменное напыление?
162
Лабораторная работа № 4ПЛАЗМЕННОЕ ПОВЕРХНОСТНОЕ УПРОЧНЕНИЕ
Цель работы: изучить оборудование и технологию обработки мате- риалов низкотемпературной плазмой.
Теоретические сведения. Имеются следующие варианты плазменно- го поверхностного упрочнения:
– без оплавления и с оплавлением поверхности детали;
– с зазором между упрочненными зернами;
– с перекрытием упрочненных зон;
– химико-термическая плазменная обработка;
– плазменное упрочнение в сочетании с другими способами объем- ной или поверхностной термической обработки.
Плазменное упрочнение без оплавления поверхности является наи- более распространенным для стальных деталей, так как обеспечивает со- хранение качества (величины шероховатости), достигнутого предшест- вующей механической обработкой.
Упрочнение с оплавлением поверхности стальных и чугунных дета- лей применяется, когда необходимо получить особые эксплуатационные свойства. Например, обработка валков черновой группы клетей станов го- рячей прокатки, к шероховатости рабочей поверхности которых не предъ- являются высокие требования. При обработке чугунных деталей на по- верхности образуется отдельный слой с высокой износостойкостью.
Плазменное упрочнение поверхностей деталей без перекрытия зон обработки приводит к получению равномерной твердости на поверхности, а с перекрытием – к появлению неравномерной твердости из-за возникно- вения зон отпуска в местах перекрытия.
Возможность реализации химико-термической обработки (например, азотирование) при плазменной обработке определяется родом газа, ис- пользуемого в качестве плазмообразующего. Здесь в качестве плазмообра- зующего газа применяется смесь аргона с азотом.
Возможно применение технологии комплексного упрочнения, вклю- чающей
предварительную или последующую обработку, объемную терми- ческую обработку и плазменное упрочнение; закалку ТВЧ и плазменную обработку.
Для генерирования плазменного источника нагрева широко исполь- зуются плазматроны с открытой дугой или прямого действия (положи- тельный электрод на заготовке) и плазматроны с замкнутой дугой или кос- венного действия (отрицательный и положительный электроды на катоде и
163
аноде плазматрона, соответственно). Для плазменного упрочнения исполь- зуются дуговые плазматроны мощностью до 100 кВт.
Эффективность ведения технологического процесса зависит от ста- бильности параметров плазменного потока. Вначале плазматроны могут создавать значительные пульсации параметров плазменного потока, что приводит к неравномерному вводу тепла в упрочняемое изделие и, как следствие, неравномерному распределению твердости по длине и ширине упрочненной зоны.
Плазматроны классифицируются по ряду признаков.
По принципу работы плазматроны могут быть с внешней или выне- сенной дугой (плазматроны прямого действия) и с внутренней дугой
(плазматроны поверхностного действия). Наиболее широко применяются для упрочнения деталей сложной форма получили плазматроны косвенно- го действия.
По роду используемого тока различают плазматроны постоянного и переменного тока. Наибольшее распространение получили плазматроны первого вида, так как они проще и более эффективно преобразуют элек- трическую энергию в тепловую.
Материалы и оборудование: установка плазменной обработки
УПНС-304, микротвердомер ПМТ-3, микроскоп измерительный МПБ-2, образцы из углеродистой стали для проведения испытаний.
Ход работы:
– ознакомиться с устройством и порядком работы на установке
УПНС-304;
– подготовить образцы для проведения исследований (нанести на по- верхность образцов, предназначенных для лазерной обработки, шликерное покрытие на основе металлоотходов);
– произвести обработку образцов непрерывным и импульсным ре- жимом лазерного излучения;
– произвести закалку образцов;
– измерить толщину покрытия при помощи микроскопа МПБ-2.
– измерить микротвердость модифицированного слоя на приборе
ПМТ-3 согласно ГОСТ 9450.
– свести полученные данные в таблицу и сделать выводы по работе.
Содержание отчета: цель работы, краткие теоретические сведения, оборудование и материалы, зависимости и результаты расчетов, порядок проведения испытаний, итоговая таблица 3.14, выводы по работе.
164
Таблица 3.14
Пример
оформления результатов работыТолщина слоя, мм
Микротвердость слоя,
МПа
Особенности структуры
3.7. Ультразвуковая обработка3.7.1. Общие сведения об ультразвуковых колебаниях и их полученииУльтразвук – это упругие волны с частотой от 2·10 4
до 10 14
Гц. Для генерирования ультразвуковых волн применяются механические и элек- тромеханические излучатели.
Механические излучатели – сирены находят ограниченное применение.
Электромеханические излучатели ультразвука бывают пьезоэлек- трические и магнитострикционные. Соответственно, для регистрации и анализа ультразвуков применяют магнитострикционные и пьезоэлектриче- ские датчики.
Пьезоэлектрические излучатели генерируют волны с частотой до
50 МГц. Работа их основана на использовании обратного пьезоэлектриче- ского эффекта, который заключается в изменении линейных размеров не- которых кристаллов (турмалина, сегнетовой соли, титаната бария, цинко- вой обманке и др.) под влиянием электрического тока. Изменение направ- ления электрического поля вызывает изменение деформаций кристаллов на противоположное.
Магнитострикционные излучатели генерируют низкочастотные волны ( 20 кГц). Их действие основано на явлении магнитострикции в пе- ременном магнитном поле, которое заключается в изменении формы и объема ферромагнетика при его намагничивании. Простейшей мерой маг- нитострикционного эффекта является линейная магнитострикция Δ
l/l, где
Δ
l – удлинение образца,
l – его первоначальная длина. При этом наблюда- ется параллельная ориентация векторов намагниченности доменов в ре- зультате изменения условий равновесия между узлами кристаллической решетки. Домен – это микроскопическая область, поляризованная в одном направлении. Магнитострикционными колебаниями являются механиче- ские колебания, возникающие в ферромагнетиках при их намагничивании в периодически изменяющемся магнитном поле.
Работа
пьезоэлектрического датчика основана на прямом пьезо- электрическом эффекте, который заключается в том, что при механических деформациях ранее указанных кристаллов изменяются знаки зарядов на их
165
поверхностях на противоположные, что приводит к возникновению элек- трического тока в цепи.
Работа
магнитострикционного датчика основана на использовании прямого пьезоэлектрического эффекта, который заключается в том, что в пластинке пьезоэлектрика, совершающей вынужденные колебания с дефор- мированием его материала, наблюдается изменение его намагниченности.
Ультразвуковые волны, вследствие малости их длины, могут излу- чаться в виде узких направленных пучков подобно свету. Отражение и преломление ультразвуковых пучков на границе раздела двух сред проис- ходит по законам геометрической оптики.
Для изменения направленности и фокусировки ультразвуковых лу- чей применяют зеркала различной формы, звуковые линзы, излучатели специальной формы и др. Зеркала должны по
возможности полно отражать ультразвуковые волны, поэтому их изготавливают из веществ, акустиче- ское сопротивление которых во много раз больше акустического сопро- тивления окружающей среды. Звуковые линзы изготавливают из веществ, акустические сопротивления которых близки к акустическому сопротив- лению среды. Собирающие (рассеивающие) свойства звуковых линз и зер- кал подчиняются тем же закономерностям, что и соответствующих опти- ческих устройств.
Амплитуды скорости и ускорения колебательного движения среды, а также амплитуда звукового давления в ультразвуковых волнах во много раз больше соответствующих величин для волн слышимых звуков.
Ультразвуки весьма сильно поглощаются газами и во много раз сла- бее – жидкостями. Например, коэффициент поглощения ультразвука в воз- духе приблизительно в 1000 раз больше, чем в воде. Одна из причин этого различия состоит в том, что кинематическая вязкость воды значительно меньше кинематической вязкости воздуха.
Скачать 3.56 Mb.