Технология плазменной наплавки для упрочнения металлов

Для восстановления старых деталей, повышения износостойкости новых, применяют плазменную наплавку. Инновационный метод образования защитных покрытий сродни плазменной сварке, используется для оборудования, эксплуатируемого в жестких условиях, контактирующего с агрессивной средой.

Сущность и область применения

Принцип плазменной наплавки металла основан на расплавлении присадки электродугой высокой плотности. Плазма возникает двумя способами:

• за счет электрического разряда, возникающего между плазмотроном и направляемой поверхностью (прямое действие);
• между электродом и соплом, к которому подводится охлаждение (косвенное действие).

Для наплавки деталей применяются различные присадки:

• сыпучие и гранулированные порошковые материалы;
• наплавочная порошковая проволока, используемая для сварки;
• металлические прутки, лента;
• спецшнуры, в составе которых имеется металлический порошок.

По сути, наплавка – это поверхностная сварка плазмотроном, обработка металла плазменной дугой. На поверхности образуется диффузионный слой, прочно удерживающий защитную пленку, обладающую специфическими свойствами.

Коротко!

Наплавка – это поверхностная обработка металла плазменной дугой для восстановления старых деталей и повышения износостойкости новых. Применяется в промышленности и ремонтных мастерских.

Подготовка к работе

Прежде чем приступить к наплавке, нужно настроить оборудование. В соответствии со справочными данными, необходимо подобрать и установить правильный угол наклона сопла горелки к поверхности изделия, выверить расстояние от торца горелки до детали (оно должно составлять от 5 до 8 миллиметров) и вставить проволоку (если осуществляется наплавка проволочного материала).

Если наплавка будет осуществляться путем колебаний сопла в поперечных направлениях, то необходимо выставить головку таким образом, чтобы сварной шов находился ровно посередине между крайними точками амплитуд колебания головки. Также необходимо отрегулировать механизм, который задает частоту и величину колебательных движений головки.

Преимущества плазменной наплавки

Популярность методики наплавления защитных покрытий плазмотроном объясняется рядом положительных свойств:

• метод применим для многих материалов, включая тугоплавкие;
• геометрические параметры и форма детали значения не имеют, результативность обработки стандартная;
• можно наносить наплавку в несколько слоев, до 6,5 мм толщиной с припуском от 400 до 900 микрон;
• при небольшой глубине расплавления (от 300 микрон до 2,5 мм) формируется незначительная зона термического влияния, риск образования внутренних дефектов минимальный;
• за счет большой скорости разогрева обрабатываемый металл не успевает прогреться на большую глубину, структурная зернистость не изменяется, удается избежать коробления, деформации деталей;
• защитные покрытия можно наносить на тонкие поверхности, минимальная толщина плазменного напыления не более 200 микрон;
• плазменная обработка эффективнее электродуговой наплавки в разы;
• поток плазмы регулируется с большой точностью.

Наплавочный порошок

Использование порошковой наплавки является предпочтительным с точки зрения качества получаемых поверхностей и износостойкости, поэтому на производстве все чаще используют именно порошковые смеси. Традиционный состав порошковой смеси – кобальтовые и никелевые частицы. Сплав данных металлов обладает хорошими механическими свойствами. После обработки таким составом поверхность детали остается идеально гладкой и не возникает необходимости в ее механической доводке и устранении неровностей. Фракция частиц порошка – всего несколько микрометров.

Технология плазменной наплавки металла

Разработано несколько способов нанесения наплавочного материала:

• Плазменная предусматривает нанесение проволоки сжатой дугой, процесс подобен ручной сварке.
• При плазменно-порошковой наплавке наплавочный гранулят из питателя механически подается в плазмотрон, транспортируется газом.
• Комбинированный способ объединяет два вида подачи: автоматически в рабочую зону поступают гранулы и проволока, получается расплав с определенными физико-химическими свойствами. Возможно наплавление твердых сплавов: литых, трубчатых, порошковых. Принцип работы такой же, как с присадочной проволокой.
• Применение измельченного металла в качестве присадки оправдано при получении тонкого слоя, менее миллиметра.
• Микроплазменная обработка металлов – разновидность проволочного плазменно-дугового напыления тонкостенных изделий, формируется пятно диаметром от 1 до 5 мм, ламирная плазменная струя отличается низким уровнем шума в пределах 50 дБ.

Различают три вида струи плазмы:

• закрытая с анодным подключением к соплу или горелки формируется широкой, характеризуется небольшой интенсивностью (главный минус – много тепла уходит в атмосферу, металл прогревается медленно);
• открытая формирует направленный тепловой поток, анод подключается к присадочному прутку, ленте или проволоке, температурный пик расположен над обрабатываемой поверхностью, обеспечивается высокая скорость разогрева;
• комбинированная предназначена для плазменно-порошкового напыления, одновременно разжигается две дуги: открытая и закрытая (закрытая формируется в зоне подачи порошковых гранул, открытая – на выходе жесткой присадки).

В качестве формирующей плазму среды применяют воздух, водород или любой инертный газ. По мнению специалистов, качественный слой образуется, когда применяют гелий и аргон.

Комбинированный способ

Суть этого метода – одновременная подача в зону плавления порошка и проволоки. На современных предприятиях плазменная наплавка реализуется с помощью комбинированного плазмотрона:

• порошковую смесь, обогащенную газом, транспортируют через канал сопла;
• электродную проволоку доставляет подающий механизм установки.

Использование токоведущей проволоки для наплавки обеспечивает минимум глубины проплавления наращиваемых слоев.

Процесс наплавления имеет строгое ограничение – допускается использование проволок (медь, медные сплавы, аустенитные виды сталей), температура плавления которых ниже, чем у металла основы.

Выбор проволок из низкоуглеродистых и легированных сталей приводит к потере качества формируемых слоев из-за недостатка подогрева металла и увлажнения основной поверхности.

Использование твердосплавных порошков повышает износостойкость слоев, но они приобретают низкую пластичность. Проволочный наплав обладает высокой пластичностью при низкой стойкости к износу, но высокой степени перемешивания с основой. Комбинация порошка с проволокой в процессе наплавки позволяет эффективно использовать сжатую дугу для получения за один проход качественных слоев, лишенных дефектов.

У комбинированного вида два преимущества. Это возможность регулировать состав наплавляемого металла с получением слоев по заданным характеристикам.

Применяемое оборудование

Разработаны установки для всех типов напыления. В комбинированных плазмотронных агрегатах электроды выполнены из тугоплавкого вольфрама, сопло обычно керамическое. Предусмотрены инверторы дежурной и основной дуги. Горелка плазматрона работает с двумя независимыми электродугами, к каждой подводится независимый источник электропитания. У комбинированных аппаратов формируется мощная дуга, газ быстро ионизируется, активно расширяется в плазмотроне, создается интенсивное давление на выходе, плазменный поток с частичками расплавленной присадки устремляется на обрабатываемую поверхность.

Подготовка поверхностей

Плазменной наплавке и напылению материалов должна предшествовать тщательная очистка поверхности от жировых пятен и других загрязнений. Если при обычной сварке позволительно производить только грубую, поверхностную очистку стыков от ржавчины и окалины, то при работе с плазмой газа поверхность обрабатываемого изделия должна быть идеально (насколько это возможно) чистой, без посторонних включений. Тончайшая пленка окислов способна значительно ослабить адгезионное взаимодействие наплавки и основного металла.

С целью подготовки поверхности под наплавку рекомендуется снять незначительный поверхностный слой металла посредством механической обработки резанием с последующим обезжириванием. Если габариты детали позволяют, то рекомендуется провести промывку и очистку поверхностей в ультразвуковой ванной.

Часто задаваемые вопросы

— Что можно металлизировать алюминием?

Деталь практически любой формы

Важно, чтобы она имела глянцевую поверхность, которая получается путем покрытия слоем акрилового лака

— Сколько будет стоить металлизация алюминием?

• Стоимость одной загрузки камеры — от 5000 руб.
• Стоимость подготовки, покрытия лаком, сушки в камере полимеризации под напыление 1 загрузки — от 5000 руб.
• Стоимость финишного покрытия лаком, сушки в камере полимеризации после напыление 1 загрузки — от 5000 руб.

Цена может меняться и зависит от сложности подготовки детали. То есть если вам нужно покрыть металлом 1 деталь, то стоимость и будет от 5000 руб. Если деталей 1000 шт и все они могут поместиться в камеру, то стоимость металлизации 1 единицы при заказе 1000 штук будет стоить от 5 руб. На крупно серийное производство и металлизацию деталей сложных форм цена обговаривается индивидуально.

— Сроки исполнения заказа?

От 2 дней. Можем выполнить срочные заказы, при средней загруженности производства.

— Как отправить нам деталь на хромирование?

Лучше всего воспользоваться услугами транспортной компании или привезти деталь на склад производства лично по адресу: Тула, Железнодорожная 51Ж (график работы: пн-пт с 9-00-18-00).

— Как должна быть подготовлена деталь?

При отправке детали, она должна быть максимально подготовлена под покрытие лаком, то есть чистой и обезжиренной. К сожалению, мы не имеем много времени на подготовку замасленных, грязных деталей под вакуумную металлизацию. Если вы не имеете возможность предоставить деталь в должном виде, пожалуйста уточните у технолога о возможности ее подготовки и напыления.

Рис.3. Клапан двигателя внутреннего сгорания а) – во время наплавки; б) – после наплавки.

Контроль качества наплавленного слоя и финишной обработки должен производиться специализированным оборудованием. Готовая продукция должна отвечать стандарту качества ISO/TS 16949:2002.

Опыт промышленного использования показывает, что плазменно-порошковая наплавка позволяет повысить качество, надежность и долговечность наплавленных деталей, улучшить условия труда. По сравнению с ручной наплавкой на 30-50% повышается производительность труда, на 50-70% сокращается расход наплавочных материалов и примерно на 50% расход электроэнергии.

Технико-экономические показатели видов напыления