Применяемые материалы для плазменной наплавки при восстановлении рабочих органов почвообрабатывающих машин

Аннотация: В статье рассмотрены материалы, применяемые для плазменной наплавки при восстановлении рабочих органов почвообрабатывающих машин. Одной из задач является выбор оптимальных порошковых композиций из сплавов на железной и никелевой основах, пригодных для получения покрытий плазменной наплавкой, обеспечивающих повышение износостойкости и снижение себестоимости восстановления деталей. 

В настоящее время промышленностью разработано огромное множество разнообразных материалов для нанесения покрытий, что конструктору или технологу становится трудно ориентироваться в их разнообразии и, тем более, выбрать оптимальный материал для конкретной реализации в покрытии.

Плазменная наплавка – сложный металлургический процесс, требующий комплексного решения ряда сложных вопросов, одним из которых является выбор материалов. Для более полного выполнения соответствующего назначения покрытие должно удовлетворять определённым требованиям. Во-первых, материал покрытия должен полностью соответствовать условиям эксплуатации покрытия по механическим, прочностным, теплофизическим и другим свойствам. Во-вторых, должна быть обеспечена его химическая и термодинамическая совместимость с материалом восстанавливаемой детали. Это требование имеет существенное значение для обеспечения высокой прочности сцепления покрытия с основой [1].

К материалам износостойких покрытий предъявляются следующие требования: высокая твёрдость, большое значение модуля упругости, высокий уровень механических свойств, малое значение коэффициента трения. Структура покрытия должна обеспечивать антисхватывание и возможность быстрой приработки к сопряжённой детали.

Выбор материалов для нанесения покрытий плазменной наплавкой при восстановлении деталей определяется видом изнашивания. В свою очередь вид изнашивания зависит от условий работы машины, агрегата, узла: одни детали работают при значительном абразивном изнашивании, другие – при знакопеременных нагрузках в условиях сильных давлений, ударов, третьи – при высоких температурах.

Восстановлению подлежат детали рабочих органов почвообрабатывающих машин, поверхности которых подвергнуты абразивному или ударно-абразивному изнашиванию.

Опыт последних лет показывает, что при восстановлении деталей, подвергающихся абразивному изнашиванию, наиболее рациональными сплавами, значительно повышающими износостойкость и эксплуатационную надежность, являются твердые порошковые сплавы [1, 2].

Твердые порошковые сплавы – это особого класса износостойкие металлические материалы, обладающие достаточно высокой твердостью.

Для восстановления и упрочнения деталей плазменной наплавкой рекомендуется применять твердые порошковые сплавы на никелевой основе с грануляцией, не превышающей 200 мкм.

Порошковые сплавы на никелевой основе содержат в своем составе присадки бора и кремния. В системах Ni-Cr-B-Si формируются плотные и прочные структуры (бор и кремний при термообработке покрытия образуют оксиды В₂О₃ и SiО₃, расплавляющиеся как стекловидные вещества и легко выходящие на поверхность покрытия в виде боросиликатных шлаков, т. е. способствуют самофлюсованию и снижению температуры плавления до 980…1080 °С), обладающие высокими триботехническими свойствами.

Значения износостойкости и коэффициента трения покрытий из этих порошков свидетельствуют о приближении их характеристик к характеристикам покрытий из чистого никелевого сплава, подвергнутого дополнительной операции термообработки с оплавлением [3].

Для повышения износостойкости низкоресурсных деталей в основном используются порошки карбидов вольфрама, хрома, титана, оксидов алюминия, хрома, титана и других в композиции с металлическими связками.

Работоспособны покрытия из порошка карбида титана, плакированного никелем. Эти покрытия обладают высокой прочностью и плотностью, что позволяет использовать их при сухом трении в паре со сталью ШХ-15. В качестве износостойких покрытий используются покрытия из феррооксидов.

В условиях сухого трения и высоких температур (873…1073 °С) преимущества этих покрытий особенно заметны – износ чугуна на порядок меньше, что свидетельствует о высоких антифрикционных свойствах феррооксидных структур. При трении покрытий в паре с азотированной сталью (38ХМЮА) феррооксидные покрытия также имеют преимущества по сравнению с покрытиями из хрома, молибдена и др.

Чаще других применяются порошки на основе никеля: ПГ-10Н-01, ПГ-10Н-04, ПТ-19Н-01, ПН80Х13СР2, ПГ-СР2, ПГ-СР4. Порошки самофлюсующегося сплава ПГ-10Н-04, ПГ-10Н-01 позволяют формировать покрытия с низким коэффициентом трения, хорошей коррозионной стойкостью, с высоким сопротивлением ударам. Твёрдость покрытия составляет 45...55 HRC. Сплав можно наносить на детали из простых и нержавеющих сталей и чугуна. Порошок ПГ-19Н-01 хорошо противостоит трению и коррозии, обладает хорошей сопротивляемостью сдавливанию, легко обрабатывается резанием и используется без оплавления для восстановления опорных поверхностей подшипников, сальников, посадочных мест.

При плазменной наплавке применяются порошковые и проволочные материалы. Однако при восстановлении деталей в основном нашли применение однокомпонентные и многокомпонентные порошки, т. к. они дают более мелкий распыл. Применительно к покрытиям из порошков следует отметить несколько факторов, обеспечивающих повышение износостойкости трущихся пар: получение покрытий с оптимальной гетерогенностью, максимальной когезией, минимальной дисперсностью продуктов трения при обеспечении масловпитываемости за счёт пор и аморфизированных зон в оксидных и металлических композициях [4, 5].

При нагреве покрытий за счет расплавления легкоплавкой составляющей структуры появляется жидкая фаза. В то же время исходные составляющие структуры сплавов (твердый раствор и карбиды) остаются в твердом состоянии и сохраняют общую целостность покрытий. Возникшая жидкая фаза заполняет образовавшиеся при наплавке поры, обеспечивая диффузию элементов, в результате чего происходит окончательное формирование структуры покрытия. Перегревать покрытия не следует, так как это ухудшает их качество за счет последующей кристаллизации карбидов, образующих более грубую структуру. Однако материалы, обладающие высокой износостойкостью, особенно твердые порошковые сплавы на никелевой основе, довольно дорогие. Необоснованное их применение может значительно увеличить стоимость восстанавливаемой детали независимо от принятой технологии. Это особенно важно при внедрении ресурсосберегающих технологий.

Сплавы на железной основе – это высокоуглеродистые, с большим содержанием хрома материалы, температура плавления которых составляет 1275…1350 °С. Они значительно дешевле хромоникелевых и более износостойкие, особенно при истирании в абразивной среде. Их недостаток – высокая хрупкость и неспособность к самофлюсованию, поэтому эти сплавы непригодны для плазменной наплавки [6, 7].

Для получения покрытий требуемого состава следует знать свойства порошковых сплавов, их склонность к образованию пористости, а также свойства легирующих и раскисляющих элементов, оказывающих влияние на состав и структуру покрытий. Основными легирующими и раскисляющими элементами, определяющими состав и структуру покрытий, являются углерод, хром, кремний, бор, никель и др. Ниже приведены их краткие характеристики и влияние на превращения в сталях.

Углерод – основной карбидообразующий элемент. При его содержании в порошках до 0,6 % в сочетании с другими карбидообразующими элементами образуются сплавы с высокой ударостойкостью и износостойкостью [8].

Хром – карбидообразующий элемент. В зависимости от содержания углерода и температуры плавления порошка хром образует карбиды различного состава. С увеличением содержания хрома повышается твердость и износостойкость покрытий, но понижается пластичность и увеличивается склонность к образованию кристаллизационных трещин.

Кремний – сильный раскислитель, карбидов не образует, служит составной частью твердого раствора и способствует повышению жаростойкости сплавов.

Бор – легирующий элемент, влияние которого при многокомпонентном легировании изучено недостаточно. С углеродом, хромом и другими карбидообразующими элементами бор дает различные соединения в виде боридов и карбоборидов. Введение небольшого количества бора значительно повышает твердость и износостойкость, но резко снижает вязкость.

Никель – ценный легирующий элемент, позволяющий получать покрытия с различными физико-механическими свойствами. Введение 3…5 % никеля в порошковые сплавы с содержанием до 1,5 % углерода дает возможность резко повышать вязкость сплава, не снижая его износостойкости.

Однако ценность твердых порошковых сплавов состоит в том, что они как высоколегированные металлические материалы позволяют существенно повысить срок службы восстанавливаемых деталей путем создания композиций между ними и получения покрытий с требуемыми свойствами. Известно, что перемешивание сплавов на никелевой (50 %) и железной (50 %) основе образует сплав, не теряющий способность к самофлюсованию, но с более высокой износостойкостью [9].

Исходя из анализа, материалы для износостойких покрытий можно разделить на следующие классы:

1. Износостойкие – мягкие подшипниковые (ПГ-19М-01) и твёрдые подшипниковые (ПХ20Н50, ПТЮ-5Н, ПС12НВК-01, МПЧ).
2. Стойкие в условиях усталостного износа при циклических нагрузках (ПТЮ-10Н, ПГ-СРЗ, ПГ-АН, механическая смесь ПТЮ-10Н и ПГ-СР, ПГ-СР и ПТ-НА-01).
3. Для восстановления размеров деталей из чёрных металлов (ПТЮ-5Н, ПТ-НА-01, ПТ-19Н-01, механическая смесь ПГ-СР и ПТ-НА-01) и из цветных металлов (ПГ-19М-01, ПМС-В, ПГ-АН-АН-12).

Проектирование материала покрытия является достаточно сложной задачей, которая должна решаться с учётом процесса плазменной наплавки, так как в высокотемпературной плазменной струе могут происходить изменения химического состава и структуры напылённого материала относительно исходных компонентов. Очевидная сложность задачи выбора или проектирования материала покрытия обусловлена, во-первых, большим количеством материалов для рассмотрения, во-вторых, необходимостью учёта большого количества характеристик одного материала (физические, механические, тепловые и т. д.) и, в-третьих, требованиями к покрытиям, в зависимости от условий эксплуатации [10].

Одной из задач является выбор оптимальных порошковых композиций из сплавов на железной и никелевой основах, пригодных для получения покрытий плазменной наплавкой, обеспечивающих повышение износостойкости и снижение себестоимости восстановления деталей.

Выбор газов играет важную роль в технологии нанесения покрытий методом плазменной наплавки. Рабочий газ является плазмообразующим газом при плазменной наплавке, который должен быть инертным по отношению к распыляемому материалу и иметь высокие значения энтальпии. Поток плазмообразующего газа интенсивно охлаждает столб дуги, горящей в сравнительно узком водоохлаждаемом канале плазмотрона, образуя, таким образом, плазменную струю. Характеристики плазменной струи в значительной мере определяются видом плазмообразующего газа, который может быть одним из следующих групп:

1. Одноатомные (инертные) газы и их смеси (Аr, Не, Аr + Не и др.).
2. Двухатомные (активные) газы и их смеси (N₂, NH₃, воздух и др.).
3. Одноатомные газы в смеси с двухатомными (Аr + Н₂, Аr + N₂ и др.).

Одной из важнейших характеристик плазмообразующих газов является их энтальпия (теплосодержание). При нагреве одноатомных газов вклад в энтальпию вносят только тепловое движение молекул и ионизация. Для двухатомных газов кроме ионизации дополнительным источником энергии является процесс диссоциации. В результате этого плазма многоатомных газов обладает энтальпией при более низких температурах, что необходимо учитывать в технологии нанесения покрытий. Для получения плазменных струй с высокой тепловой мощностью в качестве добавок используют горючие газы (ацетилен, метан, пропан). Такие добавки позволяют регулировать окислительно-восстановительный потенциал струи по отношению к распыляемому материалу. Кроме того, их можно использовать при оплавлении напыленных покрытий [1].

Для восстановления деталей рабочих органов почвообрабатывающих машин плазменной наплавкой в качестве рабочего и транспортирующего газов следует использовать сжатый воздух, который по своим теплофизическим и экономическим параметрам является наиболее рациональным.

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. 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.
3. 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.
4. 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.
5. 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.
6. 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.
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. Катаев Ю. В. Безразборная очистка двигателя от нагара // Сельский механизатор. 2011. № 9. С. 34-35.
9. 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.
10. Малыха Е. Ф., Катаев Ю. В. Тенденции развития инженерно-технической системы агропромышленного комплекса Российской Федерации // Наука без границ. 2017. №7 (12). С. 21-25.

  

Материал поступил в редакцию 24.09.2017
© Кинякин Т. В., 2017