Задание 36. Наплавка дуговая, электрошлаковая, токами высокой частоты. Дуговая наплавка
 Скачать 46.39 Kb.
|
|
Студент: Прикладная информатика Задание 8. 36. Наплавка дуговая, электрошлаковая, токами высокой частоты. Дуговая наплавка. Ручную наплавку покрытыми электродами применяют в тех случаях, когда использование механизированных способов невозможно или нецелесообразно. Для получения минимальной глубины проплавления основного металла электрод наклоняют в сторону, обратную направлению наплавки. Ручную наплавку выполняют электродами диаметром 2—6 мм на постоянном токе 80—300 А обратной полярности (плюс на электроде) с производительностью 0,8—3 кг/ч. При ручной наплавке требуются электросварщики наиболее высокой квалификации, так как процесс наплавки необходимо вести на минимально возможном токе и напряжении с целью уменьшения доли основного металла в наплавленном, но при этом должно обеспечиваться сплавление наплавленного и основного металлов. Главные параметры режима ручной наплавки — сила тока, напряжение на дуге и скорость наплавки. Тип электрода выбирают в зависимости от химического состава наплавляемого металла, а диаметр электрода — в зависимости от толщины и формы изделия, пространственного положения наплавляемой поверхности. При установившемся процессе наплавки происходит равномерное плавление электрода под действием теплоты дуги. Однако не вся мощность дуги расходуется на плавление металла. Часть ее теряется на излучение, плавление покрытия и т.п. Существуют и потери расплавленного металла на угар, разбрызгивание и огарки, достигающие 30%. Дуговая наплавка под флюсом — один из основных видов механизированной наплавки. Главными ее преимуществами являются непрерывность процесса, высокая производительность, незначительные потери электродного металла, отсутствие открытого излучения дуги, что значительно улучшает условия труда электросварщиков. Коэффициент наплавки под флюсом почти равен коэффициенту расплавления, так как потери на разбрызгивание — не больше 1,5%. При использовании одной электродной проволоки коэффициент наплавки под флюсом колеблется в пределах 14—20 г/(А • ч) и может быть повышен за счет увеличенного вылета электрода. Общие потери при наплавке под флюсом не превышают 3%. Наплавку под флюсом осуществляют полуавтоматическим и автоматическим способами. В первом случае механизировано лишь одно рабочее движение — подача электродной проволоки в зону дуги, а дугу по наплавляемой поверхности перемещают вручную. Во втором случае механизированы оба рабочих движения — подача электродной проволоки в зону дуги и движение ее по поверхности детали с заданной скоростью наплавки. Наплавку самозащитными проволоками и лентами открытой дугой в атмосфере воздуха широко применяют в промышленности. В состав сердечника этих электродных материалов кроме порошков легирующих компонентов вводят газо- и шлакообразующие вещества, защищающие при наплавке ванну расплавленного металла от вредного воздействия воздуха. С целью повышения производительности процесса наплавку можно осуществлять одновременно несколькими проволоками или лентами. Например, при упрочнении конусов и чаш засыпных аппаратов доменных печей применяют двухдуговую наплавку порошковыми лентами с их поперечными колебаниями на всю ширину наплавляемой поверхности. Для наплавки самозащитными проволоками и лентами характерны повышенные световое излучение дуги, газовыделение и разбрызгивание. Наплавка плавящимся электродом в защитном газе отличается от полуавтоматической и автоматической под флюсом тем, что в качестве защитной среды вместо флюса используются газы — инертные или углекислый. Из инертных газов наиболее широко применяется аргон — при наплавке высоколегированных хромоникелевых и коррозионностойких сталей, сплавов на основе меди и др., но чаще наплавку осуществляют плавящимся электродом в углекислом газе. Наплавку в защитных газах применяют в тех случаях, когда невозможна наплавка под флюсом в связи с затруднениями его подачи и удаления шлаковой корки, например при наплавке внутренних поверхностей глубоких отверстий или мелких деталей, а также при восстановлении и упрочнении деталей сложной формы. Чтобы предотвратить окисление металла в процессе наплавки атомарным кислородом, образующимся из углекислого газа при его разложении, в электродные проволоки вводят элементы-раскисли- тели (титан, кремний, марганец углерод), активно соединяющиеся с кислородом. Для наплавки в углекислом газе обычно используют кремнемарганцевые проволоки, например Св-08Г2С, Св-10ХГ2С и др. Наплавку в защитных газах, как правило, ведут короткой дугой, на постоянном токе обратной полярности, используя источники питания (ИП) с жесткой внешней характеристикой. Защитный газ под избыточным давлением подается из сопла, расположенного конпентрично электроду. К недостаткам этого процесса следует отнести открытое световое излучение дуги и повышенное разбрызгивание металла (5—10%). Импульсно-дуговая наплавка плавящимся электродом расширяет технологические возможности наплавки в защитных газах. При этом процессе на основной сварочный ток непрерывно горящей дуги с помощью специального генератора накладываются кратковременные импульсы тока, которые ускоряют перенос капель металла, в результате чего их размер уменьшается. При наложении на дугу импульсов определенной энергии и частоты можно достичь мелкокапельного переноса металла с минимальным разбрызгиванием. Это позволяет осуществлять наплавку в вертикальном положении. Импульсно-дуговую наплавку ведут на постоянном токе обратной полярности, так как при наплавке на прямой полярности длина дуги увеличивается за счет более высокой скорости расплавления электрода и происходит повышенное разбрызгивание. Этот процесс не нашел широкого применения из-за ограниченного сочетания проволок и защитных газов, при которых возможен мелкокапельный перенос металла. В качестве защитных газов применяют аргон, гелий или их смеси с незначительным количеством С02, N2, 02. Вибродуговая наплавка — прерывистый дуговой процесс, при котором электрод вибрирует вдоль своей оси, вызывая короткие замыкания в сварочной цепи и кратковременные периоды существования дуги. Подаваемая в зону наплавки проволока совершает при помощи электромагнитного или механического устройства возвратно-поступательные движения с частотой до 100 раз в секунду и размахом 0,5—3 мм. Суть этой наплавки состоит в следующем. К изделию и электроду подают напряжение от источника постоянного или переменного тока. В момент соприкосновения электрода с изделием происходит короткое замыкание электрической цепи, при котором ток мгновенно возрастает, и в месте контакта электрода с изделием образуется перемычка из жидкого металла. В следующий момент, когда электрод отходит от изделия, перемычка разрывается и возбуждается дуга. В момент горения дуги происходит плавление основного и электродного металлов и перенос жидкого электродного металла на изделие. Затем цикл, состоящий из короткого замыкания, дугового разряда и холостого хода, повторяется. Поскольку длительность существования дуги невелика и составляет 20% всего цикла, провар основного металла получается неглубоким с небольшой зоной термического влияния. Повышение стабильности процесса и снижение разбрызгивания металла достигаются наложением пульсирующего напряжения от специального тиристорного выпрямителя типа ВСС-1. Вибродуговую наплавку осуществляют под флюсом, в различных газовых средах, но чаще всего — в водных растворах, например в растворе кальцинированной соды или 25%-м растворе технического глицерина в воде. Наличие жидкости обеспечивает высокую скорость охлаждения, что способствует уменьшению деформации детали, а также закалке наплавленного металла. Эти особенности процесса послужили основанием для его применения при наплавке деталей небольшого размера, износ которых составляет менее 1 мм. При силе тока 100—200 А, напряжении на дуге 18—25 В производительность процесса составляет 1—2 кг/ч. Такую наплавку применяют для восстановления стальных и чугунных деталей, на которые наносят тонкие слои металла при минимальной деформации. Наплавляют также закаленные детали, после чего их твердость незначительно снижается. Износостойкую поверхность получают при наплавке высоколегированными проволоками. Потери электродного металла на угар и разбрызгивание составляют 11—30% при коэффициенте наплавки 8—10 г/(А • ч). К недостаткам этого способа следует отнести часто возникающие дефекты в наплавленном металле в виде мелких газовых пор, трещинок, а также неравномерную его твердость. Вибродуговая наплавка под пеной осуществляется с помощью ви- бродуговых установок, оснащенных пеногенератором. Подаваемая в зону дуги пена изолирует расплавленный металл от окружающего воздуха и способствует удержанию образующихся при наплавке газов. В результате в зоне наплавки создается газовая атмосфера с пониженной окислительной способностью. Этот процесс используют в основном для восстановления автотракторных деталей. Для наплавки применяют сварочную проволоку Св-08 диаметром 1,6—2 мм. Пену готовят на воде с добавками хозяйственного мыла и технического вазелина. Электрошлаковая наплавка. Электрошлаковая наплавка — процесс наплавки, при котором источником теплоты для плавления основного и присадочного металлов служит шлаковая ванна, разогреваемая проходящим через нее электрическим током. В пространстве, образованном плоскостью наплавляемого изделия и формирующим кристаллизатором, создается ванна расплавленного шлака, в которую подается электрод. Ток, проходя между электродом и изделием, нагревает шлаковую ванну до температуры свыше 2000°С, в результате чего электродный и основной металлы оплавляются, образуя металлическую ванну, при затвердевании которой создается наплавленный металл. Для осуществления такого процесса необходима довольно глубокая шлаковая ванна, получение которой проще всего при вертикальной наплавке. Ряд особенностей электрошлаковой наплавки выгодно отличают ее от других способов наплавки: при установившемся электрошлаковом процессе разбрызгивание отсутствует, шлак надежно защищает жидкую металлическую ванну от вредного воздействия воздуха, расход флюса на образование шлаковой корки на поверхности наплавляемого металла не превышает 5% его массы. При электрошлаковой наплавке расход электроэнергии в 1,5—2 раза, а флюса — в 20 раз меньше, чем при дуговом процессе. При вертикальном положении наплавляемой поверхности облегчается всплывание газовых пузырьков, частиц шлака и удаление их из металла. Поэтому при электрошлаковой наплавке склонность к образованию пор и других неплотностей значительно ниже, чем при дуговой. Вследствие благоприятного направления роста кристаллов в наплавленном металле, полученном электрошлаковым способом, значительно снижается склонность к образованию кристаллизационных трещин. Этому также способствуют более низкие скорости нагрева и охлаждения околошовной зоны, кристаллизации ванны жидкого металла, чем при дуговой наплавке. Для электрошлаковой наплавки могут быть применены ИП постоянного и переменного тока с жесткими внешними характеристиками. Для получения наплавленного слоя шириной до 40 мм применяют одноэлектродную ЭШН. С увеличением ширины наплавки электроду придают колебательные движения параллельно наплавляемой поверхности либо увеличивают число электродов. Многоэлектродная ЭШН дает возможность в широких пределах легировать наплавляемый металл за счет использования электродных проволок различного химического состава. При наплавке прямолинейных вертикальных поверхностей небольшой высоты (1,0—1,5 м) применяют пластинчатые электроды, что позволяет использовать такие материалы, как чугун, из которых нельзя или затруднительно изготовить проволоку. Электрошлаковая наплавка плавящимся мундштуком объединяет способы наплавки проволочным и пластинчатым электродами. При этом способе электродные проволоки подаются через трубки или пазы в неподвижно установленной пластине (плавящемся мундштуке), служащей для направления электродных проволок и подвода к ним электрического тока. В процессе наплавки мундштук оплавляется в шлаковой ванне, образуя вместе с электродными проволоками наплавленный металл. Электрошлаковая наплавка зернистым присадочным материалом возможна с расходуемым или нерасходуемым электродом. Подаваемые с заданной скоростью в шлаковую ванну электродные проволоки, плавясь, создают сплав- связку, образующую матрицу (основу) наплавляемого металла. В процессе наплавки дозированно подают зернистый присадочный материал, например карбиды вольфрама, который в шлаковой ванне поверхностно очищается, нагревается и, не сплавляясь, внедряется в металлическую ванну, образуя износостойкий композиционный сплав. При электрошлаковой наплавке зернистым присадочным материалом с нерасходуемым электродом последний служит для подвода тока к шлаковой ванне. Зернистый присадочный материал подают в шлаковую ванну, требуемая температура которой обеспечивается проходящим через нее током; сила тока зависит от сечения нерасходуемого электрода. Плавясь в шлаковой ванне, зернистый присадочный материал каплями стекает на оплавленную поверхность изделия, создавая металлическую ванну, которая, затвердевая, образует наплавленный металл. Электродные ленты с зазором, устанавливаемым с помощью клина, подают к основному металлу. Посредством двух воронок флюс с избытком подают на каждую ленту. Между лентами и основным металлом возбуждают электрическую дугу, под действием теплоты которой флюс плавится, создавая шлаковую ванну. В связи с тем, что в зазор между лентами холодный флюс почти не попадает, жидкий шлак разогревается, шунтирует ток дуги и наступает электрошлаковый процесс. Под действием сжимающих сил, оказываемых электрическим током (пинч-эффект), жидкий шлак в зазоре между лентами поднимается над поверхностью основного металла на 20—30 мм, создавая устойчивую шлаковую ванну. Электродный металл плавится в шлаковой ванне и в виде мелких капель стекает на основной металл, сплавляясь с ним и образуя наплавленный металл. Стабильный электрошлаковый процесс получают при зазоре между лентами 0,1 — 1 ширины ленты и при использовании низкокремниевых флюсов (АН-26п и 48-ОФ-Ю). Наплавка лентами размером 60 х 0,8 мм (/= 1600 А; 11= 32—34 В) обеспечивает производительность процесса свыше 40 кг/ч при доле основного металла 5—8%. Наплавка токами высокой частоты. Наплавка токами высокой частоты (индукционная наплавка) — это наплавка, при которой расплавление основного и присадочного металлов производят за счет теплового действия индуктируемого тока. Для нагрева над изделием размещают индуктор, представляющий собой один или несколько витков медной трубки или шины. По индуктору протекает ток высокой частоты, создающий переменное магнитное поле, которое возбуждает вихревые токи в поверхностном слое детали, что, в свою очередь, вызывает оплавление этого слоя и расплавление присадочного материала. С увеличением частоты тока глубина проплавления уменьшается. Основные преимущества индукционной наплавки — возможность получения минимального проплавления и высокая производительность процесса. Индукционную наплавку твердым присадочным металлом применяют в тракторном и сельскохозяйственном машиностроении. При этом способе на предварительно очищенную поверхность детали помещают необходимую массу порошка наплавляемого сплава и легкоплавкого флюса. При расплавлении основного металла, порошка и флюса в результате индукционного нагрева образуется общая ванна, на поверхность которой поднимается жидкий флюс, обеспечивающий надежную защиту. По мере затвердевания сварочной ванны формируется наплавляемый металл. Для наплавки внутренних поверхностей цилиндрических деталей (зеркала гильз цилиндров, матриц пресс-форм, втулок поршневых насосов и т.п.) применяют центробежную индукционную наплавку. Во внутреннюю полость вращающейся вокруг горизонтальной оси детали помещают наплавочную шихту и с помощью индукционного нагрева осуществляют наплавку слоя толщиной 0,5—4 мм. Индукционную наплавку жидким присадочным металлом применяют для упрочнения катков тракторов и бил углеразмольных мельниц, дисков борон и лап культиваторов, при получении биметаллических заготовок для прессования пальцев траков гусеничных машин и т.д. При этом способе на заранее нагретую и офлюсованную заготовку подают жидкий присадочный металл, напаиваемый на подготовленную таким образом поверхность. Предварительный нагрев детали осуществляют либо индукционным способом, либо в шлаковой ванне. Жидкий присадочный металл получают в индукционных печах. Индукционная наплавка с частичным оплавлением (армирование) заключается в следующем. Наплавляемую поверхность и присадочный металл, служащий сплавом-связкой, оплавляют и в жидкую ванну вводят тугоплавкий зернистый материал, например релит. После кристаллизации ванны образуется композиционный сплав, состоящий из матрицы, армированной неоплавившимися твердыми частицами. Композиционные сплавы, армированные релитом (пвсевдосплавы на основе карбидов вольфрама), обладают наибольшей износостойкостью и обеспечивают высокие эксплуатационные характеристики восстановленных деталей. Их применяют для наплавки шарошек буровых долот, толкателей клапанов двигателей и других деталей. Несмотря на то, что при наплавке применяются различные способы защиты жидкого металла, полностью изолировать его от воздуха не удается. Кроме того, некоторые средства защиты вступают во взаимодействие с металлом, в результате чего могут образовываться поры, неметаллические включения и иные дефекты. Технология наплавки должна обеспечивать заданные свойства наплавленного металла, отсутствие в нем недопустимых дефектов и работоспособность упрочняемого изделия в целом. Это достигается выбором присадочного материала, способа, режима, техники наплавки и термообработки. При решении технологических вопросов учитывают материал наплавляемого изделия, его массу, форму и условия работы. 37. Напыление материалов. Напыление как процесс нанесения покрытий заключается в нагреве материала, его диспергировании (дроблении), переносе движущейся средой, ударе о восстанавливаемую поверхность или покрытие, деформировании и закреплении. Напыляемый материал нагревается за счет теплообмена с высокотемпературной средой (продуктами горения, электрической дугой, плазмой) или прохождения вихревых токов. В ряде случаев материал дробится за счет своего плавления. Частицы его разгоняются и переносятся струей движущегося газа, достигают поверхности детали в пластическом состоянии, имея большой запас кинетической и тепловой энергии, ударяются о поверхность, деформируются и закрепляются на ней, расходуя накопленную энергию Восстанавливаемая поверхность во время напыления находится в твердом состоянии, температура ее достигает только 150...200 оС, поэтому деформация детали практически отсутствует. Нагрев материала и его пребывание в ряде случаев в окислительной воздушной среде или в продуктах сгорания приводят к изменению химического состава и структуры материала покрытия. Оксидные пленки между покрытием и основой, слоями покрытия и отдельными частицами препятствуют образованию прочных связей между этими фрагментами. Пластическое деформирование частиц при ударах о подложку и между собой придает им расплющенную форму, обеспечивает наклеп материала, изменение текстуры и частичное разрушение оксидной пленки. Микроструктура напыленного покрытия выявляет его слоистое строение с оксидными пленками между соединенными частицами. Существует переходная зона между покрытием и основным металлом. В качестве материалов для напыления покрытий используют проволоку, порошки или шнуры из различных материалов. Оптимальная толщина покрытий составляет 0,1... 1,0 мм. В зависимости от вида источника тепловой энергии, затрачиваемой на нагрев и дробления напыляемого материала, различают основные виды напыления: электродуговое, газопламенное, детонационное и плазменное. Напыление применяют для восстановления, упрочнения и коррозионной защиты поверхностей деталей. Напыление материала - производительный и сравнительно простой процесс, обеспечивающий высокую износостойкость покрытий, возможность регулирования в широких пределах их химического и фазового состава. Возможно нанесение покрытий практически любой толщины из металлов и их сплавов, оксидов, карбидов, нитридов и пластмасс и на различные материалы (в том числе на неметаллы). Напыление не снижает усталостную прочность деталей. Недостатки процесса: сложность подготовки поверхности к нанесению покрытия; невысокая адгезионная и когезионная прочность покрытий по сравнению с прочностью монолитного материала, повышенное выгорание легирующих элементов и потери материала; выделение аэрозолей напыляемого материала и вредных газов, повышенный уровень шума, наличие электромагнитных и ультрафиолетовых излучений. Электродуговое напыление. Сущность его состоит в плавлении металлических проволок электрической дугой, зажженной между ними, продувании через электрическую дугу струи сжатого газа, сдувании расплавленного металла и переносе его в виде частиц на восстанавливаемую поверхность. Преимущества электродугового напыления: процесс имеет наибольшую производительность (до 50 кг/ч) их всех видов напыления; высокий термический кпд; возможность получения покрытий с высокой адгезионной и когезионной прочностью и низкой пористостью. Затраты на нанесение 1 кг покрытия в два раза ниже, чем при электродуговой наплавке. Сжатый воздух Недостатки процесса сводятся к следующему. Интенсивное взаимодействие частиц с газовой средой приводит к насыщению покрытия кислородом и азотом, а также к повышенному содержанию оксидов. Необходимость применения только токопроводящих напыляемых материалов ограничивает возможность способа. Значительное выгорание легирующих элементов, содержащихся в стальных проволоках, при электродуговом напылении сужает область его применения. Применяют ручное и механизированное напыление. В первом случае технологические перемещения аппарата производят вручную. Механизированные установки имеют устройства для перемещения распылителей относительно напыляемой поверхности. Частицы металла будущего покрытия при электродуговом напылении могут быть защищены от кислорода и азота воздуха стенкой продуктов сгорания газообразного или жидкого топлива или вдуванием пропана или природного газа, или паров бензина в зону горения дуги. Жидкий металл в последнем случае распыляют не струей сжатого воздуха, а продуктами сгорания, разогретыми до температуры 1800...2100 оС. Активированное электродуговое напыление заключается в распылении металла и его защите от влияния воздуха продуктами сгорания углеводородного топлива. Этот вид напыления целесообразно применять при восстановлении деталей, работающих в условиях граничной смазки. Применяют проволочные материалы - Нп-65Г, Нп-40Х13, Св-08Г2С. Повышение твердости покрытия является следствием науглероживания материала. Газопламенное напыление. Сущность заключается в нагреве напыляемого материала газовым пламенем и нанесении его на восстанавливаемую поверхность струей сжатого газа. В качестве основного материала применяют порошки, проволоки и шнуры. Газопламенное напыление -один из немногих процессов, с помощью которого наносят покрытия из шнуров. В зависимости от наличия и времени оплавления покрытий различают три вида газопламенного напыления: без оплавления, с одновременным оплавлением (в литературе называют газопорошковой наплавкой) и с последующим оплавлением. Первый вид напыления применяют для восстановления деталей, не испытывающих деформаций и знакопеременных нагрузок, рабочая температура которых < 350 оС. Способ применяют при восстановлении наружных и внутренних цилиндрических поверхностей подвижных и неподвижных соединений при невысоких требованиях к прочности соединения с основным материалом. Газопламенное напыление с одновременным оплавлением покрытия применяют для восстановления деталей из стали и чугуна при износе на сторону 1,3... 1,8 мм. Последующее оплавление покрытий толщиной 0,5... 1,3 мм выполняют газо-кислородным пламенем, в индукторе или другим источником тепла. Процесс применяют при восстановлении наружных и внутренних цилиндрических поверхностей подвижных и неподвижных соединений при повышенных требованиях к износостойкости и прочности соединения с основным материалом. Активирование газопламенного напыления обеспечивают интенсивным смешением рабочих газов, а также эффективным теплообменом между пламенем и материалом. Для газопламенного напыления выпускается много образцов горелок и оборудования. По мощности пламени газовые горелки подразделяются на: очень малой (до 60 л/ч), малой (от 60 до 700 л/ч), средней (от 700 до 2500 л/ч) и большой мощности (свыше 2500 л/ч), а по степени механизации - на ручные и машинные. В зависимости от способа подачи горючего газа горелки делят на инжекторные и безинжекторные. Применение электродугового и газопламенного напыления проволочными материалами эффективно для деталей (коленчатых валов, осей, вкладышей подшипников скольжения, направляющих), работающих в трущихся сопряжениях, и при восстановлении поверхностей отверстий под подшипники. Плазменное напыление. Основано на использовании энергии плазменной струи как для нагрева, так и для переноса частиц металла. Плазменную струю получают путем продувания плазмообразующего газа сквозь электрическую дугу и его обжатия стенками медного водоохлаждаемого сопла. В качестве плазмообразующих газов используют аргон, гелий, азот, водород и их смеси. Микроплазменное напыление применяют при восстановлении участков деталей с размерами 5... 10 мм с целью уменьшения потерь напыляемого материала. Используют плазмотроны малой мощности (до 2...2,5 кВт), генерирующие квазиламинарную плазменную струю при силе тока 10...60 А. Детонационное напыление. При этом виде напыления наносимые частицы приобретают энергию во время горения и перемещения ацетилено-кислородной смеси в стволе пушки. Детонация - особый вид горения газообразного топлива. Она возникает в начальный период горения смеси и распространяется в трубе со скоростью 2000...3000 м/с. Температура горения смеси при детонационном напылении достигает 5200 оС, а развиваемое давление - сотен МПа. Упрочняющая обработка покрытий: Упрочнение напыленных покрытий включает механическую, термическую и комбинированную обработку. Высокотемпературное уплотнение покрытий заключается в приложении давления в процессе локального нагрева. Такое уплотнение позволяет назначать меньшие припуски под механическую обработку покрытий. Увеличение усилия обработки и температуры подогрева положительно влияют на структуру покрытия: трещины и поры уменьшаются или исчезают вообще. Химико-термическая обработка покрытий (спекание) заключается в том, что детали с покрытиями помещают в печь с атмосферой, содержащей И2 и C, и выдерживают при заданной температуре. В основе химико-термической обработки покрытий лежит восстановление оксидов и последующая карбидизация покрытий в контролируемой газовой атмосфере. В результате обработки полностью восстановливаются оксиды, исчезает слоистость и повышается содержание цементита. Введение в напыляемые железные порошки карбидообразующих материалов (Cr) повышает твердость и износостойкость покрытий. 38. Плазменная, лазерная, дуговая металлизация. Плазменная металлизация. Это прогрессивный способ нанесения покрытий, при котором расплавление и перенос материала на восстанавливаемую поверхность осуществляется струей плазмы. Плазма — это сильно ионизированное состояние газа, когда концентрация электронов и отрицательных ионов равна концентрации положительно заряженных ионов. Плазменную струю получают, пропуская плазмообразующий газ через электрическую дугу при ее питании от источника постоянного тока напряжением 80—100 В. Переход газа в ионизированное состояние и распад его на атомы сопровождается поглощением значительного количества энергии, которая выделяется при охлаждении плазмы в результате ее взаимодействия с окружаемой средой и напыляемой деталью. Это обуславливает высокую температуру плазменной струи, которая зависит от силы тока, вида и расхода газа. В качестве плазмообразующего газа обычно применяют аргон или азот и реже водород или гелий. При использовании аргона температура плазмы составляет 15000-30000°С, а азота — 10 000-15 000 °С. При выборе газа следует учитывать, что азот дешевле и менее дефицитен, чем аргон, но чтобы зажечь в нем электрическую дугу, требуется значительно большее напряжение, что обуславливает повышенные требования к электробезопасности. Поэтому иногда при зажигании дуги используют аргон, для которого напряжение возбуждения и горения дуги меньше, а в процессе напыления — азот. Покрытие формируется за счет того, что поступающий в струю плазмы наносимый материал расплавляется и переносятся потоком горячего газа на поверхность детали. Скорость полета частиц металла составляет 150—200 м/с при расстоянии от сопла до поверхности детали 50—80 мм. Благодаря более высокой температуре наносимого материала и большей скорости полета, прочность соединения плазменного покрытия с деталью выше, чем при других способах металлизации. Высокая температура и большая мощность по сравнению с другими источниками тепла является основным отличием и преимуществом плазменной металлизации, обеспечивающим значительное повышение производительности процесса, возможность расплавлять и наносить любые жаростойкие и износостойкие материалы, включая твердые сплавы и композиционные материалы, а также оксиды, бориды, нитриды и др., в различных сочетаниях. Благодаря этому можно формировать многослойные покрытия с различными свойствами (износостойкие, хорошо прирабатывающиеся, жаростойкие и др.). Наиболее качественные покрытия получаются при применении самофлюсующихся наплавочных материалов. Плотность, структура и физико-механические свойства плазменных покрытий зависят от наносимого материала, дисперсности, температуры и скорости столкновения переносимых частиц с восстанавливаемой деталью. Последние два параметра обеспечиваются за счет управления плазменной струей. Свойства плазменных покрытий существенно повышаются при последующем их оплавлении. Такие покрытия эффективны при ударных и высоких контактных нагрузках. Принцип работы и устройство плазмотрона иллюстрирует рис. 4.51. Плазменную струю получают, пропуская плазмообразующий газ 7 через электрическую дугу, создаваемую между вольфрамовым катодом 2 и медным анодом 4 при подключении к ним источника тока. Катод и анод разделены между собой изолятором 3 и непрерывно охлаждаются жидкостью б (желательно дистиллированной водой). Анод выполнен в виде сопла, конструкция которого обеспечивает обжатие и определенное направление плазменной струи. Обжатию способствует также электромагнитное поле, возникающее вокруг струи. Поэтому ионизированный плазмообразующий газ выходит из сопла плазмотрона в виде струи небольшого сечения, что обеспечивает высокую концентрацию тепловой энергии. Наносимые материалы используются в виде гранулированных порошков с размером частиц 50—200 мкм, шнуров или проволоки. Порошок может подаваться в плазменную струю вместе с плазмообразующим газом или из дозатора 1 транспортирующим газом 5 (азотом) в сопло газовой горелки, а проволоку или шнур вводят в плазменную струю ниже сопла плазменной горелки. Перед использованием порошок следует просушить и прокалить для уменьшения пористости и повышения сцепляемости покрытия с деталью. Защита плазменной струи и находящихся в ней расплавленных частиц металла от взаимодействия с воздухом может осуществляться потоком инертного газа, который должен охватывать плазменную струю. Для этого в плазмотроне концентрично основному предусматривается дополнительное сопло, через которое подается инертный газ. Благодаря ему исключается окисление, азотирование и обезуглероживание напыляемого материала. В рассмотренном примере источник питания подключен к электродам плазмотрона (закрытая схема подключения), поэтому электрическая дуга служит только для создания плазменной струи. При применении наносимого материала в виде проволоки источник питания может быть подключен также и к ней. В этом случае кроме плазменной струи образуется плазменная дуга, которая также участвует в расплавлении прутка, благодаря чему мощность плазмотрона существенно возрастает. Современные плазменные наплавочные установки имеют электронные системы регулирования параметров процесса, оснащаются манипуляторами и роботами. Это повышает производительность и качество процесса напыления, улучшает условия работы обслуживающего персонала. Лазерная металлизация. Научно-технический прогресс позволил сократить долю ручного труда в производстве. Благодаря разработке передовых инновационных технологий процесс металлообработки стал автоматизированным. Обработка металла лазером позволяет повысить сложность, скорость и точность производственных операций. В инновационной технологии обработки металла лазером воплотились все передовые достижения академической физики. Оптический квантовый генератор или лазер был открыт во второй половине XX века. Лазерное устройство лавинообразно генерирует фотоны с одинаковой энергией, направленностью движения и поляризацией и преобразует энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию монохроматического когерентного света. Этот удивительный оптический прибор излучает мощный узконаправленный пучок интенсивного света. Открытие было высоко оценено физиками и инженерами. В 1962 году, после испытания первого лабораторного квантового генератора, американская фирма «Спектра физикс» разработала и представила на рынке коммерческие лазеры. Это был настоящий революционный прорыв в лазерных технологиях. Позже были созданы различные типы и модификации лазера – от микроприборов до гигантских установок. Например, длина лазерной установки «Нова» в Национальной лаборатории Лоуренса Ливермора в США составляет 137 м, а ее суммарная мощность – 1014 Вт. Лазерное оборудование широко используется в научных и производственных областях. Уже в 70–80 годы XX века началось интенсивное развитие лазерных технологий, которые с большим успехом применялись в обработке металла: сварке, закалке, наплавке, маркировке, резке. С помощью лазерного оборудования изготавливались различные детали и элементы конструкций: прокладки, кронштейны, дисковые пилы, панели, щитки для приборов, двери, декоративные решетки. Изобретение кинематических сложных роботов-манипуляторов и гибких оптоэлектронных лучепроводов позволило расширить возможности лазерной металлообработки. В современном производстве с помощью лазера осуществляется резка пространственных металлоизделий. Сегодня обработка металла лазером – это высокоэффективный технологический процесс. Лазерные станки являются высокотехнологичным современным оборудованием благодаря уникальным свойствам лазера: высокой мощности излучения – до 108-109 Вт/см2 в непрерывном режиме и до 1016-1017 Вт/см2 в импульсном. Лазерный луч легко управляется автоматизированными системами. Мощное излучение мгновенно нагревает и прожигает сфокусированную зону. При охлаждении металла заготовка не деформируется и сохраняет свою форму. Область резки очищается от продуктов сгорания способом продувки с использованием технологического газа: кислорода, азота, воздуха. Открытие лазера можно назвать одним из самых значимых научно-технических достижений XX века. Разработка универсальных лазерных технологий способствовала рождению современных направлений научной и технической оптики, появлению новых промышленных отраслей. Лазерные технологии применяются не только для обработки различных материалов, они стали незаменимым элементом специализированных информационных систем, широко используются в науке, медицине, при создании военной техники. Лазерная резка, в отличие от механического метода, является более эффективным и экономически выгодным способом раскроя любых металлических листов. Такой метод металлообработки не наносит вреда материалам, полностью исключает деформацию, не требует дальнейшей постобработки. При обработке металла лазером снижается расход материалов. Современные лазерные станки оснащены специальными программами, которые автоматически помогут рассчитать наиболее экономичный способ раскроя материала. Лазерная металлообработка является универсальной и востребованной в различных производственных областях: строительстве, машиностроении, станкостроении. С помощью лазера можно изготовить не только крупные массивные детали, но и хрупкие декоративные элементы. Лазерная обработка является самым эффективным и высококачественным способом резки различных металлов. Весь технологический процесс раскроя автоматизирован и выполняется по заданным критериям. Лазер хорошо режет любые металлы с различными показателями теплопроводности. Высокая энергетическая мощность лазерного луча обеспечивает расплавление металла в области резки. Но при этом полностью исключается даже минимальная деформация заготовки, так как зона термического воздействия очень ограничена. Эта особенность позволяет использовать лазерную технологию для обработки мягких металлов. Преимущества обработки метала лазером: - полностью исключается механическое воздействие на заготовку или деталь. Лазерная технология позволяет резать мягкие, хрупкие материалы без риска деформации; - возможность обрабатывать твердые сплавы; - высокая точность раскроя и реза. Кромка в зоне резки очень ровная, отсутствуют наплывы, заусеницы и другие дефекты; - не требуется последующая дополнительная обработка готовых изделий; - есть возможность вырезать заготовки и детали даже самой сложной геометрической формы; - простота и легкость управления оборудованием. Рисунок детали выполняется в чертежной программе и переносится в компьютер лазерного оборудования для выполнения резки; - высокая производительность. Обработка металла лазером происходит в 10 раз быстрее, чем резка с помощью газовой горелки; - высокая скорость раскроя тонколистового проката; - максимальная экономия расходных материалов за счет компактного размещения деталей на листе; - экономическая эффективность. Снижение затрат при изготовлении небольших партий деталей, так как отсутствует необходимость изготовления форм для прессования или литья; Недостатки обработки метала лазером: - высокая стоимость оборудования; - низкая эффективность обработки металлов и сплавов с высокими отражающими свойствами: алюминием, нержавеющей сталью; - допустимая максимальная толщина металлического листа – 20 мм. Дуговая металлизация. Дуговая металлизация осуществляются специальным аппаратом - металлизатором. Аппарат действует следующим образом. С помощью протяжных роликов по направляющим наконечникам непрерывно подаются две проволоки, к которым подведен электрический ток. Возникающая между проволоками электрическая дуга расплавляет металл. Одновременно по воздушному соплу в зону дуги поступает сжатый газ под давлением 0,6 МПа. Большая скорость движения частиц металла (120-300 м/с) и незначительное время полета, исчисляемое тысячными долями секунды, обусловливают в момент удара о деталь ее пластическую деформацию, заполнение частицами неровностей и по поверхности детали, сцепление частиц между собой и с поверхностью, в результате чего образуется сплошное покрытие. Последовательным наслаиванием расплавленного металла можно получить покрытие, толщина слоя которого может быть от нескольких микрон до 10 мм и более (обычно 1-1,5 мм для тугоплавких и 2,5-3 мм для легкоплавких металлов). Небольшие объемы работ по металлизации выполняют переносными (ручными) дуговыми электрометаллизаторами ЭМ-ЗА; значительные по объему работы - станочными электрометаллизаторами ЭМ-6 и высокочастотными металлизаторами МВЧ-l, МВЧ-2. Питание электрометаллизаторов осуществляется либо от трансформаторов специальной конструкции (СТЭ-4З-2с), либо от обычных сварочных трансформаторов (без дросселей) с дополнительными отводами от витков вторичной обмотки, допускающими регулирование напряжения в пределах 20-55 В (с промежутками через4-5 В) при токе не менее 250 А. При восстановлении поверхностей деталей под неподвижные посадки применяют малоуглеродистую проволоку из стали 08, 10, 15, 20. Для получения износостойких покрытий на деталях, работающих в подвижных соединениях, применяют проволоку из высокоуглеродистых сталей У7, У7А, У8, У10. При нанесении слоя покрытия на поверхность детали ее нагрев до 50-70оС не вызывает никаких структурных изменений в металле детали, т. е. его механические свойства сохраняются, благодаря чему можно наносить слой покрытия на любые материалы: металл, пластмассу, дерево, резину и т. п. Металлизация обеспечивает высокую твердость напыленного слоя, что способствует увеличению сроков службы восстанавливаемых деталей. Напыляют самые разнообразные металлы. Например, для напыления может быть использована биметаллическая проволока из алюминия и свинца, что позволяет не только заменять дорогостоящие оловянистые баббиты и бронзы, но и значительно увеличить срок службы подшипников. При подготовке поверхности деталей к металлизации отдельные операции выполняют в такой последовательности: - очищают детали от загрязнений, пленок, окислов, жировых пятен, влаги и продуктов коррозии; - выполняют предварительную обработку резанием поверхности для придания ей правильной геометрической формы; - получают на поверхностях деталей шероховатость, необходимую для удержания нанесенного слоя металла; - обеспечивают защиту смежных поверхностей деталей, не подлежащих металлизации. Для предупреждения скалывания или выкрашивания покрытия по внешнему периметру плоской поверхности делают специальные канавки. При толщине покрытия более 0,5 мм подготовка детали состоит в нарезании канавок в форме ласточкина хвоста с шагом 2-3 мм или в установке шпилек (в шахматном порядке) с насечкой промежутков зубилом. У деталей сложной формы для заделки трещин, paковин и плоских деталей применяют пескоструйную обработку сухим кварцевым песком с размером частиц 1,5-2 мм. Для получения высокого качества покрытий струю распыленного металла направляют перпендикулярно к обрабатываемой детали и выдерживают расстояние от сопла металлизатора до изделия (детали) в пределах 150-200 мм. Вначале металл наносят на участки детали с резкими переходами, углами, галтелями, уступами, а затем осуществляют металлизацию всей поверхности, равномерно наращивая металл. При использовании металлизационной установки в цехе или закрытом помещении должна быть установлена вентиляция. 39. Пайка металлов и сплавов. Пайкой называется технологический процесс соединения металлических заготовок без их расплавления посредством введения между ними расплавленного промежуточного металла — припоя. Припой имеет температуру плавления более низкую, чем температура соединяемых металлов, и заполняет зазор между соединяемыми поверхностями за счет действия капиллярных сил. При охлаждении припой кристаллизуется и образует прочную связь между заготовками. В процессе пайки наряду с нагревом необходимо удалять оксидные пленки с поверхности паяемых металлов, например с помощью флюсов. Пайка включает нагрев материала, образующего соединение, до температуры, близкой к температуре плавления припоя; расплавление и растекание жидкого припоя по поверхности твердого материала; заполнение паяемого шва; охлаждение и кристаллизацию припоя в паяном шве. Качество паяного шва во многом зависит от прочности связи припоя с металлом основы. В результате смачивания твердой металлической поверхности между припоем и основным металлом возникает межатомная связь. Эта связь может образоваться при растворении металла основы в расплавленном припое с образованием жидкого раствора, распадающегося при последующей кристаллизации; за счет диффузии составляющих припой элементов в основной твердый металл с образованием твердого раствора; за счет реактивной диффузии между припоем и основным металлом с образованием по границе интерметаллических соединений; за счет бездиффузионной связи в результате межатомного взаимодействия. По особенностям процесса и технологии пайку можно разделить на капиллярную, диффузионную, контактно-реактивную, реактивно-флюсовую и сварку-пайку. Капиллярная пайка. Припой заполняет зазор между соединяемыми поверхностями и удерживается в нем за счет капиллярных сил. На рис. 32.1 показана схема образования шва. Соединение образуется в результате растворения основы в жидком припое и последующей кристаллизации раствора. Капиллярную пайку используют в тех случаях, когда применяют соединение внахлестку Однако капиллярное явление присуще большинству видов пайки. Диффузионная пайка. Соединение образуется за счет взаимной диффузии компонентов припоя и паяных материалов, причем возможно образование в шве твердого раствора или тугоплавких хрупких интерметаллов. Для диффузионной пайки необходима продолжительная выдержка при температуре образования паяного шва и после завершения процесса при температуре ниже солидуса припоя. За счет этого можно увеличить прочность шва и температуру распая, а значит, и рабочую температуру соединения. Контактно-реактивная пайка. При пайке между соединяемыми металлами или соединяемыми металлами и прослойкой другого металла в результате контактного взаимодействия и плавления образуется сплав, который заполняет зазор и при кристаллизации образует паяное соединение. Реактивно-флюсовая пайка. Припой образуется за счет реакции вытеснения между основным металлом и флюсом. Например, при пайке алюминия с флюсом 3ZnCl2 + 2А1 —> 2А1СЦ + 3Zn восстановленный цинк является припоем. Реактивно-флюсовую пайку можно вести без припоя и с припоем. Сварка-пайка. Паяное соединение образуется так же, как при сварке плавлением, но в качестве припоя используется расплавленный металл одной из соединяемых деталей — той, металл которой наименее тугоплавкий и который частично расплавляется в месте соединения. Такой вид сварки относят к некапиллярному. |