К вопросу плазменного напыления покрытий с последующим оплавлением

Авторы: Степанов Михаил Викторович, Трушина Лидия Николаевна

.

Рубрика: Технические науки

Страницы: 40-45

Объём: 0,35

Опубликовано в: «Наука без границ» № 12 (17), декабрь 2017

Скачать электронную версию журнала

Библиографическое описание: Степанов М. В., Трушина Л. Н. К вопросу плазменного напыления покрытий с последующим оплавлением // Наука без границ. 2017. № 12 (17). С. 40-45.

Аннотация: В статье рассмотрено плазменное напыление покрытий с последующим оплавлением воздушным потоком плазмы или выносной дугой, применяемое при восстановлении деталей. Результаты исследований показывают, что интенсивность изнашивания образцов, полученных с использованием воздушного потока плазмы для оплавления, в 6...9 раз выше, чем у оплавленных выносной дугой.

Качество и эффективность восстановления в значительной степени зависит от применяемых способов устранения дефектов ремонтопригодных деталей. К основным недостаткам способа плазменной наплавки следует отнести быстрый и глубокий нагрев детали, значительное перемешивание основного и присадочного материалов, невозможность выполнения наплавки на детали диаметром менее 55 мм, необходимость удаления шлаковой корки ручным способом [1].

Поэтому при малых допусках на износ целесообразно изношенные поверхности восстанавливать или упрочнять плазменным напылением с последующим оплавлением покрытия.

Экспериментально установлено, что причиной отколов по линии сплавления при традиционных методах наплавки являются хрупкие прослойки, образующиеся при подплавлении основного металла и перемешивании его с напыляемым материалом, во многих случаях с образованием интерметалидов.

Перемешивание устраняется, а толщина переходной зоны уменьшается до минимума при ведении процесса напыления с последующим оплавлением, как бы в режиме «пайко-сварки». В этом случае основной металл остается в твердом состоянии. Соединение формируется за счет растекания жидкой присадки и смачивания ею поверхности основного металла. Следовательно, паяно-сварное соединение без подплавления подложки легче всего реализуется в том случае, если соединяемые металлы имеют большую разницу в температурах плавления. Если разница в температурах плавления мала, то получение качественного паяно-сварного соединения становится сложной задачей, требующей точной дозировки тепла, вводимого в основной металл и покрытие [2, 3].

Известно, что одним из основных факторов, определяющих смачивание и образование прочных атомных связей между жидким и твердым металлами, является температура системы. С ростом температуры подложки и присадочного металла смачиваемость, растекаемость и прочность сцепления наплавленного слоя с основным металлом повышаются. Однако одновременно увеличивается вероятность подплавления подложки. Температура присадочных сплавов на железной основе составляет 1540…1700 К, то есть близка к температуре плавления основного металла. Поэтому наплавка традиционными способами Сормайта-2 на сталь Гадфильда в режиме «пайко-сварки» не дает положительных результатов [4]. Главной причиной является малая разница в температурах плавления 70...120 К. В этих условиях для соединения необходимо интенсифицировать процесс смачивания и растекания, что можно достигнуть качественной защитной средой и применением способов, уменьшающих окисляемость порошкового материала.

Разрабатывая технологию нанесения упрочняющих покрытий, необходимо решать следующие задачи:

  • выбрать материал покрытия, отвечающий требованиям эксплуатации и хорошо совместимый с основой;
  • разработать методы подготовки поверхности;
  • выбрать режимы напыления и последующего оплавления.

В практике нанесения газотермических покрытий существует метод нанесения самофлюсующихся сплавов с последующим оплавлением. При этом процесс оплавления проводят в ацетилен-кислородном или пропан-бутан-кислородном пламени. Наиболее целесообразно наносить покрытия струей воздушной плазмы и оплавлять данные покрытия также струей воздушной плазмы.

Предварительными исследованиями процесса напыления самофлюсующихся сплавов на основе никеля и хрома установлено, что в покрытиях в зависимости от режимов напыления и температуры основы возникают значительные растягивающие остаточные напряжения, что приводит к появлению растрескивания покрытий. Этот эффект проявляется на больших площадях покрытий за счет суммирования остаточных напряжений и превышении их уровня когезионной прочности напыленного материала [5].

Таблица 1

Значения окружных остаточных напряжений по толщине покрытий

№ п/п

Температура, °С

Распределение окружных остаточных напряжений по толщине напыленных покрытий

1

без т/о

r, мм

s, МПа

22,3      21,7      20,5     20,0

152,0    116,1    40,1      7,2

2

500 °С

r, мм

s, МПа

22,2      21,65    20,55   20,0

12,3      12,9      17,1     16,1

3

700 °С

r, мм

s, МПа

22,05    21,5      20,5     20,0

-48,0     -35,4     26,2     24,7

4

800 °С

r, мм

s, МПа

22,13    21,5      20,5     20,0

-39,1     -33,2    -26,0    -25,8

В покрытиях, которые подвергаются термообработке при температуре 700…800 °С, возникают сжимающие остаточные напряжения, переходящие в растягивающие [6]. Необходимо отметить, что повышение температуры термообработки снижает уровень растягивающих остаточных напряжений и возникают благоприятные сжимающие напряжения в поверхностных слоях покрытий на основе никеля и хрома.

При термообработке в металлах происходит релаксация остаточных напряжений. Снижение остаточных напряжений и перемена их знака в покрытиях на основе нихромов с повышением температуры термообработки связано с релаксационными процессами.

Из существующих методов уменьшения остаточных напряжений в напыленном слое наиболее рациональным является использование предварительного подогрева напыляемой детали или внешним источником или плазменной струей. В результате этого существенно снижается уровень температурных напряжений, что исключает появление трещин и отслоений напыленного слоя [7].

Перед напылением покрытий поверхность детали необходимо подвергнуть дробеструйной обработке для очистки поверхности и придания ей необходимой шероховатости. Учитывая большую массу детали и большое количество тепла, необходимое для разогрева детали, рационально применять предварительный внешний, равномерный по длине подогрев детали газовой горелкой до температуры 350…400 °С.

Так как напыляемые самофлюсующиеся сплавы имеют высокий коэффициент линейного расширения (14×106 … 16×10-6 1/°С), после напыления может произойти такая усадка покрытия, при которой оно отслоится от основы или на границе покрытие-основа возникнут пустоты. Поэтому напыление желательно производить на предварительно подогретую поверхность до температуры выше 93 °С и поддерживать температуру при напылении 260…310 °С.

При оплавлении перегревать покрытия до полного расплавления не следует, так как в этом случае первичные кристаллы карбидов и боридов хрома переходят в жидкий раствор и при последующей кристаллизации образуют более хрупкую структуру, ухудшая качество покрытия.

При плазменном напылении микроструктура отдельных частиц существенно не изменяется. Микроструктура покрытия, оплавленного воздушным потоком плазмы, становится сильно ячеистой и грубой с разноосными глобулярными зернами, уменьшается количество пор, размеры некоторых фаз увеличиваются, пропадают границы между частицами.

При напылении покрытий с выносной дугой структура оплавленного покрытия становится равномерной и мелкодисперсной, и приближается к структуре исходного порошка. Так как структура напыленного с выносной дугой покрытия является сильно дисперсной, поэтому измерение микротвердости отдельной фазы практически невозможно. Поэтому можно получить лишь диапазоны значений микротвердости. 

Таблица 2

Результаты измерения микротвердости и прочности сцепления покрытий

Вид обработки поверхности

Микротвердость, кг/мм2 при нагрузке 100 г

Прочность сцепления, МПа

Оплавление самофлюсующегося покрытия воздушным потоком плазмы

555…1175

100…150

Оплавление самофлюсующегося покрытия выносной дугой

680…1190

80…170

Повышение микротвердости покрытий обусловлено изменениями, произошедшими в структуре под действием концентрированного источника тепла [8]. Результатом этого воздействия является повышение равномерности распределения компонентов, увеличение дисперсности упрочняющих фаз и пересыщение твердого раствора на основе никеля.

Процесс напыления с выносной дугой характеризуется большей прочностью оплавленного слоя по сравнению с классическим плазменным напылением за счет локального приваривания участков покрытия к подложке.

Результаты триботехнических испытаний показали, что интенсивность изнашивания образцов, полученных с использованием воздушного потока плазмы для оплавления, в 6...9 раз выше, чем у оплавленных выносной дугой [9, 10].

Результаты испытаний показывают, что оплавление покрытий на основе Ni-Cr-B-Si выносной дугой позволяет целенаправленно влиять на формирование структуры и триботехнических свойств покрытий.

Список литературы

  1. Плазменные методы упрочнения и восстановления рабочих органов дорожно-строительных и почвообрабатывающих машин: монография / И. Н. Кравченко, А. Ф. Пузряков, Е. М. Бобряшов, А. А. Пузряков. М. : Изд-во «Эко-Пресс», 2013. 328 с.
  2. Подготовка поверхностей деталей для нанесения упрочняющих покрытий / И. Н. Кравченко, Ю. В. Катаев, В. А. Сиротов, Я. В. Тарлаков // Сельский механизатор. 2017. № 8. С. 36-38.
  3. Оценка остаточных напряжений и прочности покрытий повышенной толщины при послойном их формировании / И. Н. Кравченко, О. В. Закарчевский, Ю. В. Катаев, А. А. Коломейченко // Труды ГОСНИТИ. 2017. Том 127. С. 171-175.
  4. Применение плазменно-напыленных ферроокислов для поршневых колец автотракторных двигателей / И. Н. Кравченко, А. А. Пузряков, Ю. В. Катаев, И. Е. Пупавцев, Д. Г. Гречко // Труды ГОСНИТИ. 2016. Том 122. С. 188-193.
  5. Система автоматизированного контроля управлением техническим состоянием машин и оборудования / И. Н. Кравченко, В. М. Корнеев, Ю. В. Катаев, Т. А. Чеха // Сельский механизатор. 2016. № 9. С. 22-23.
  6. Управление формой поршневых колец ДВС при плазменном напылении / И. Н. Кравченко, А. Ф. Пузряков, Ю. В. Катаев, Т. А. Чеха // Труды ГОСНИТИ. 2017. Том 126. С. 196-203.
  7. Формирование инновационных центров промышленной утилизации технических средств / И. Н. Кравченко, Н. В. Алдошин, Ю. В. Катаев, Ю. А. Лесконог // Сельский механизатор. 2017. № 3. С. 2-6.
  8. Корнеев В. М., Катаев Ю. В., Вялых Д. Г. Обеспечение работоспособности техники в гарантийный период эксплуатации // Сельский механизатор. 2017. № 4. С. 39-40.
  9. Малыха Е. Ф., Катаев Ю. В. Тенденции развития инженерно-технической системы агропромышленного комплекса Российской Федерации // Наука без границ. 2017. № 7 (12). С. 21-25.
  10. Технический сервис как основная составляющая инженерно-технического обеспечения агропромышленного комплекса / А. С. Дорохов, В. М. Корнеев, Ю. В. Катаев, Д. Г. Вялых и др. // Управление рисками в АПК. 2016. № 4. С. 46-57.

  

Материал поступил в редакцию 16.12.2017
© Степанов М. В., Трушина Л. Н., 2017