• Главная
/
• Технологии компании «Плазмацентр»
/
• Наплавка

Наплавка

Технологический процесс нанесения покрытий при расплавлении как присадочного материала (прутков, проволок, трубок, стержней, лент, порошков), так и поверхностного слоя наплавляемой металлической поверхности. В зависимости от вида источника нагрева наплавка может производиться при помощи теплоты газового пламени (газопламенная), электрической дуги (электродуговая в среде защитного газа, под флюсом и др.), расплавленного шлака (электрошлаковая), концентрированных источников энергии - сжатой дуги (плазменная), лазерного луча (лазерная) и др. методами.

Назначение

Изготовление деталей с износо- и коррозионностойкими свойствами поверхности, а также восстановление размеров изношенных и бракованных деталей, работающих в условиях высоких динамических, циклических нагрузок или подверженных интенсивному изнашиванию.

Выбор способа

Выбор и использование конкретного способа наплавки определяется условиями производства, количеством, формой и размерами наплавляемых деталей, допустимым перемешиванием наплавленного и основного металла, технико-экономическими показателями, а также величиной износа. Выбор типа материала покрытия производится в соответствии с условиями эксплуатации деталей. В качестве присадочного материала при наплавке деталей во многих случаях наиболее эффективно использование порошков, которые технологичны в изготовлении и обеспечивают получение химического и фазового состава покрытия в широких пределах.

Достоинства

• нанесение покрытий значительных толщин;
• отсутствие ограничений по размерам наплавляемых поверхностей;
• получение требуемых размеров восстанавливаемых деталей путем нанесения материала того же состава, что и основной металл;
• использование не только для восстановления размеров изношенных и бракованных деталей, но и ремонта изделий за счет залечивания дефектов (раковин, пор, трещин);
• низкое тепловложение в основной металл при плазменной наплавке;
• многократное проведение процесса восстановления и, следовательно, высокая ремонтоспособность наплавляемых деталей;
• высокая производительность;
• относительная простота и малогабаритность оборудования, легкость автоматизации процесса.

Недостатки

• возможность изменения свойств наплавленного покрытия из-за перехода в него элементов основного металла;
• изменение химического состава основного и наплавленного металла вследствие окисления и выгорания легирующих элементов в околошовной зоне;
• возникновение повышенных деформаций за счет термического воздействия;
• образование больших растягивающих напряжений в поверхностном слое детали, достигающих 500 МПа и снижение характеристик сопротивления усталости;
• возможность структурных изменений в основном металле, в частности, образование крупнозернистой структуры, новых хрупких фаз;
• возможность возникновения трещин в наплавленном металле и зоне термического влияния и, как следствие ограниченный выбор сочетаний основного и наплавленного металлов;
• наличие больших припусков на механическую обработку, приводящих к существенным потерям металла наплавки и повышению трудоемкости механической обработки наплавленного слоя;
• требования преимущественного расположения наплавляемой поверхности в нижнем положении;
• использование в отдельных случаях предварительного нагрева и медленного остывания наплавляемого изделия, что увеличивает трудоёмкость и длительность процесса;
• трудность наплавки мелких изделий сложной формы.

Плазменная наплавка

Плазменными называются производственные технологии, использующие воздействие плазмы (четвертого агрегатного состояния вещества) на различные материалы с целью изготовления, обслуживания, ремонта и/или эксплуатации изделий. При плазменной наплавке нагрев детали и присадочного материала осуществляется электродуговой плазмой, которая генерируется дугой прямого действия сжатой плазмообразующим соплом и плазмообразующим газом или дугой косвенного действия, горящей между электродом и плазмообразующим соплом (между электродом и присадочной проволокой) или двумя дугами одновременно.

Плазменно-порошковая наплавка

При плазменно-порошковой наплавке применяется как процесс, использующий одну дугу прямого действия, так и двухдуговой РТА процесс (plasma transferred arc), где действует одновременно дуга прямого действия, горящая между электродом и изделием, и дуга косвенного действия, горящая между электродом и плазмообразующим соплом (рис. 1). В связи с тем, что традиционно процесс нанесения покрытий с использованием косвенной дуги называется плазменным напылением, а с применением дуги прямого действия - плазменной наплавкой, PTA процесс получил название плазменная наплавка-напыление.

Рис. 1. Схемы плазмотронов для сварки (а), наплавки (а, б), напыления (в, г), финишного плазменного упрочнения (г), закалки (а – без ПП), где ПГ – плазмообразующий газ, ЗГ – защитный газ, ТГ – транспортирующий газ, ДГ – фокусирующий газ, ПП – присадочная проволока; П – порошок или реагенты для упрочнения

Процесс плазменной наплавки-напыления можно охарактеризовать как метод нанесения порошковых покрытий толщиной 0,5-4,0 мм с регулируемым вводом тепла в порошок и изделие плазмотроном с двумя горящими дугами прямого и косвенного действия. Косвенная (пилотная, дежурная) дуга используется для расплавления присадочного порошка, а основная дуга - для оплавления поверхностного слоя детали и поддержания необходимой температуры порошка на детали. Раздельное регулирование параметров основной и косвенной дуги обеспечивает эффективное расплавление порошка при минимальном нагреве поверхности детали.

Основные преимущества плазменной наплавки-напыления:

• минимальное термическое воздействие на основной металл;
• минимальное перемешивание основного и наплавленного металла;
• высокий коэффициент использования присадочного материала;
• незначительные припуски на механическую обработку;
• минимальные деформации наплавленной детали;
• равномерность высоты наплавленного слоя;
• высокая стабильность процесса.

В табл. 1 представлены отличительные характеристики плазменной наплавки-напыления от ближайших аналогов. Так покрытия, наносимые плазменной наплавкой с использованием дуги прямого действия, обеспечивают чрезмерное оплавление основного металла и его перемешивание с присадочным материалом, а покрытия, наносимые плазменным напылением, не являются беспористыми и ограничены толщиной порядка 1 мм (за пределами которой возможно растрескивание вследствие высоких внутренних напряжений).

Таблица 1. Основные свойства покрытий, наносимых плазменными методами

Характеристика	Плазменное напыление	Плазменная наплавка (однодуговая)	Плазменная наплавка-напыление (двухдуговой PTA- процесс)
Толщина покрытия, мм	≤ 1,0	слоями 2,0-4,0	слоями 0,5-4,0
Пористость покрытия, %	≤ 10	отсутствует	отсутствует
Прочность сцепления покрытия, МПа	≤ 100	полное сплавление	полное сплавление
Взаимный переход элементов в покрытие и основной металл, %	отсутствует	≤ 10	≤ 5
Температура детали в процессе нанесения покрытия, °С	≤ 150	≤ 700	≤ 700
Положение поверхности при нанесении покрытия	любое	нижнее	Любое

 

Вид плазмотронов для процесса плазменной наплавки-напыления представлен на рис. 2.

Рис. 2. Плазмотроны для плазменной наплавки-напыления  

Сравнительные характеристики всех производственных плазменных технологий приведены в табл. 2 (положительные стороны процессов выделены серой заливкой ячеек, а наибольшие преимущества отмечены жирным шрифтом), а на рис. 3 представлены варианты их использования.

Таблица 2. Характеристики плазменных технологий

Характеристика	Сварка	Наплавка	Напыление	ФПУ	Закалка
Схема обработки
Толщина обрабатываемых деталей, мм	0,5 - 10	более 2	любая	любая	более 3
Толщина покрытия (или глубина закалки без оплавления), мм	-	большая (1-4)	средняя (0,1-1,0)	малая (0,0005-0,003)	средняя (0,3-1,5)
Прочность соединения покрытия с основой	-	высокая	понижен-ная	высокая	–
Интегральная температура основы, оС	высокая (200-1000)	высокая (200-1000)	низкая (100-200)	низкая (100-200)	низкая (200-300)
Термическая деформация изделия	пониженная	есть	нет	нет	есть
Структурные изменения основы	есть	значительные	нет	минимальные	есть
Предварительная подготовка поверхности основы	очистка от окалины и органики	очистка от окалины и органики	абразивно-струйная обработка	очистка от органики (обезжиривание)	очистка от окалины и органики
Пористость покрытия	-	нет	есть	минимальная	–
Сохранение класса шероховатости поверхности	–	нет	нет	да	да
Поверхность может иметь повышенную твердость	–	да	да	да	да
Покрытие может быть износостойким	–	да	да	да	да
Покрытие может быть жаростойким (до 1000оС)	–	да	да	да	–
Покрытие может быть диэлектрическим	–	нет	да	да	–
Расходы на материал покрытия (присадки)	пониженные	высокие	средние	низкие	нет
Возможность сохранения высокой твердости основы	нет	ограниченная	да	да	да (вне ЗТВ)
Возможность обработки острых кромок	–	да (с доп. механи-ческой обработ-кой)	как правило – нет	да	да (ограни-ченно)
Возможность эксплуатации покрытий при ударных нагрузках	–	да	нет	да	да
Необходимость дополнительной механической обработки покрытий	–	как правило - да	как правило - да	нет	–
Экологическая чистота технологии	высокая	средняя	низкая	высокая	высокая
Затраты на оборудование производственного участка	средние	средние	высокие	низкие	низкие
Отходы технологии	низкие	средние	значительные	нет	нет
Возможность проведения техпроцесса вручную и автоматически	в основном - автоматически	да	да	да	только автоматически
Возможность интеграции технологии без изменения других техпроцессов	нет	нет	нет	да	да

 

Плазменная наплавка наиболее часто используется для нанесения покрытий на клапана автомобильных и судовых двигателей, различные экструдеры и шнеки, детали арматуры и другие детали. Экономическая эффективность плазменной наплавки определяется повышением долговечности наплавленных деталей при снижении расхода используемых порошковых материалов, затрат на их обработку, экономии газа.

Рис. 3. Процесс плазменной наплавки

Ссылка на книги и статьи

• Соснин Н.А., Ермаков С.А., Тополянский П.А. Плазменные технологии. Руководство для инженеров. Изд-во Политехнического ун-та. СПб.: 2013. - 406 с.
• Тополянский П.А., Тополянский А.П. Прогрессивные технологии нанесения покрытий - наплавка, напыление, осаждение. РИТМ: Ремонт. Инновации. Технологии. Модернизация. 2011, № 1 (59). - С. 28-33
• Ермаков С.А., Соснин Н.А., Тополянский П.А. Плазменная наплавка с поперечными колебаниями источника нагрева. Сварочное производство. №5. 2011. - С. 14-17
• Ермаков С.А., Тополянский П.А., Соснин Н.А. Оценка качества процесса плазменной наплавки. Сварка и диагностика. 2015. № 3. - C. 17-19
• Ермаков С.А., Тополянский П.А., Соснин Н.А. Оптимизация плазменной порошковой наплавки двухдуговым плазмотроном. Ремонт. Восстановление. Модернизация. 2014. № 2. - С. 19-25
• Тополянский П.А., Ермаков С.А., Рыбаков К.А., Соснин Н.А. Импульсная плазменная порошковая наплавка. Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика: В 2 ч. Часть 1: Материалы 14-й Международной научно-практической конференции: СПб.: Изд-во Политехн. ун-та. 2012. - С. 188-193
• Ермаков С.А., Соснин Н.А., Тополянский П.А. Особенности плазменной порошковой наплавки двухдуговым плазмотроном. Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технологической оснастки. Материалы 9-ой практической конференции 10-13.04.2007 г. Санкт-Петербург. Изд. Политехнического ун-та. Санкт-Петербург. 2007. Ч.1. - С. 94-101
• Тополянский П.А., Соснин Н.А., Ермаков С.А. Разработка технологии плазменной наплавки вилки карданной муфты. Технологии ремонта, восстановления, упрочнения и обновления машин, механизмов, оборудования и металлоконструкций. Материалы 4-й Всероссийской практической конференции 16-18 апреля 2002 г. Санкт-Петербург. Изд. СПбГТУ. 2002. - С. 76-83
• Тополянский П.А. Исправление дефектов цветного литья методом плазменной наплавки. Инструмент и технологическая оснастка: методы повышения эффективности. Материалы практического семинара 26-28 марта 2002 г. Санкт-Петербург. Изд. СПбГТУ. 2002. - С.32-34
• Киселёв Л.А., Тополянский П.А. Восстановление некондиционных лопаток паровых турбин методом «протезирования». Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика: Материалы 17-й Международной научно-практической конференции: СПб.: Изд-во Политехн. ун-та. 2015. - С. 125-127
• Тополянский П.А. Повышение эрозионной стойкости входных кромок лопаток ступеней низкого давления паровых турбин (обзор). Технологии ремонта, восстановления, упрочнения и обновления машин, механизмов, оборудования и металлоконструкций. Материалы 4-й Всероссийской практической конференции 16-18 апреля 2002 г. Санкт-Петербург. Изд. СПбГТУ. 2002. - С. 30-49