Электроконтактная наплавка (стр. 3 из 6)

Основная технологическая схема электроконтактного припекания порошка (ЭКПП) проста, надежна и может использоваться для большой группы деталей [6].

В настоящее время широко применяется ЭКПП предварительно сформированных покрытий. Порошок с помощью плазмы или газопламенного устройства напыляют на поверхность заготовки (рис. 10, г), после чего она подвергается воздействию давления с одновременным пропусканием электрического тока. Указанный способ позволяет эффективно упрочнять крупногабаритные детали, оплавление которых после напыления практически невозможно. Электроконтактное припекание предварительно напыленных покрытий дает возможность получать слои с высокими физико-механическими свойствами, которые существенно превосходят характеристики оплавленных покрытий.

Для упрочнения торцовых поверхностей применяются схемы с коническим электродом (рис. 10, д). Конусность электрода выбирается из условия предотвращения явления проскальзывания в контакте.

Особой разновидностью нанесения покрытий на плоские поверхности длинномерных деталей является использование в качестве электрода скошенного пуансона, совершающего циклическое возвратно-поступательное движение (рис. 10, е). Порошок, находящийся под скошенным пуансоном, в результате переменной по длине прессуемого участка толщины слоя спекается неодинаково. При последующем цикле прессования после перемещения пуансона на величину шага припекания происходит повторное спекание и доуплотнение предварительно спеченного участка за счет его нагрева и доуплотнения. Это позволяет повысить плотность нанесенного слоя. Для повышения производительности процесса можно применять два роликовых электрода, установленных в одной плоскости друг за другом и воздействующих на слой порошка с возрастающим давлением.

Рис. 10. Технологические схемы нанесения покрытий на плоские поверхности: а – с одним роликом; б – с двумя роликами; в – с использованием фольги или «нейтрального» ролика; г – с предварительным напылением; д. – с коническим роликом; е – с электродом–пуансоном.

Основные технологические схемы, используемые для нанесения покрытий на внутренние и внешние цилиндрические поверхности, представлены на рис. 11.

Для обеспечения стабильности физико-механических свойств припеченных износостойких слоев на цилиндрических и в ряде случаев на длинномерных плоских поверхностях необходима точная дозировка порошкового материала, поступающего в зону припекания в зависимости от величины тока припекания.

Применяющиеся в настоящее время дозирующие устройства для электроконтактной наплавки металлических порошков не позволяют решить поставленную задачу. Это связано с тем, что требуемый расход порошкового материала определяется сечением крана бункера и давлением порошка, масса которого изменяется в процессе упрочнения. Вследствие значительного удельного веса металлических порошков давление на слои, прилегающие к отверстию крана, в процессе наплавки существенно изменяется. Кроме того, требуемая величина толщины слоя порошка регулируется вручную, что приводит к ошибкам, снижающим качество металлопокрытия.

Рис.11. Технологические схемы нанесения покрытий на цилиндрические детали.а – на наружные; б–на внутренние поверхности

В ИНДМАШ АН БССР разработано специальное устройство, позволяющее обеспечить автоматическое регулирование поступающего в

зону припекания порошкового материала в зависимости от величины тока припекания. При переходе на новый режим устройство гарантирует стабильное поступление порошка при постоянном значении тока в начале (при заполненной емкости бункера) и в конце припекания (при опорожненном бункере). Такое устройство позволяет снизить до минимума непроизводительные потери порошкового материала при припекании.

В качестве основного дозирующего элемента устройство включает в себя дроссель, образованный двумя дугообразными пластинами, выполненными из токопроводящего материала, которые соединены с источником тока электродом и деталью. Внешние (контактирующие) поверхности пластин покрыты слоем изолирующего материала.

При включении источника тока через пластины электрод и деталь начинает протекать электрический ток Схема соединения пластин с источником тока выполнена таким образом, что через пластины электрический ток будет протекать в противоположных направлениях при этом его магнитные поля взаимодействуют создавая нормально направленные к поверхности пластин раздвигающие электромагнитные силы, которые, преодолевая усилие подпружиненных упоров, раздвигают пластины. В образовавшийся зазор начинает поступать порошок из дозирующего бункера в зону припекания.

Разработанное устройство существенно повышает эффективность процесса электроконтактного припекания, автоматически обеспечивая постоянное отношение количества порошка к величине тока припекания, т. е. стабильное качество припеченного порошкового слоя [6].

Особенностью наварки свободных порошков является низкая толщина наплавленного слоя. Ее оценивают половиной толщины слоя частиц порошков, располагающихся между сварочными роликами и наплавляемой поверхностью детали перед прохождением импульса тока. Экспериментально установлено (рис. 12, кривые 1 и 2), что свободные частицы порошкового материала (ПМ) при малом давлении сварочного ролика интенсивно выдавливаются из пространства между ним и деталью. При давлении значительно ниже рабочего диапазона в этом пространстве остается слой толщиной в шесть-семь хлопьевидных или двух-трех округлых частиц. При дальнейшем увеличении давления толщина слоя снижается весьма медленно, видимо, в результате деформации частиц [2].

ПМ при наварке нагревается по всей толщине слоя в силу множественности переходных сопротивлений внутри него, нагревается и смежный участок детали. ПМ спекаются в пористый слой и соединяются с поверхностью детали.

Рис. 12. Зависимость числа слоев частиц nпорошковых материалов от давления Р:1 – ППЛ (ПЖ-ЗС, толщина слоя 2,6 мм); 2 – порошок ПЖ-ЗС (4 мм); 3 – ППЛ (40% ПГ-СР2 и 60% ПГ-ФБХ6-2, 2,6 мм); 4 – порошок ПГ-СР2 (4 мм).

В зависимости от интервалов температур плавления различных ПМ, входящих в состав наплавляемой композиции, по отношению к температуре нагрева слоя частицы ПМ в результате наварки претерпевают неодинаковые изменения. Частицы относительно тугоплавких материалов остаются неизменными или дробятся, среднеплавких – пластически деформируются и спекаются, легкоплавких – расплавляются и заполняют поры между частицами, имеющими более высокие температуры плавления, весьма легкоплавких расплавляются, интенсивно окисляются, испаряются, сгорают.

Наплавленный слой практически всегда является гетерогенным, состоящим из тех же видов частиц, что и композиция ПМ, но объединенных в единое тело. Каждой из спекшихся частиц присущи свойства материалов, из которых они изготовлены, за исключением превратившихся в оксиды.

Широкие возможности для получения покрытий с заданными свойствами обеспечиваются при применении для наплавки порошково-полимерных материалов в виде лент или листов (ППЛ), представляющих собой пористое тело, частицы порошка в котором связаны эластичным полимером. Связывание частиц полимером позволяет снизить подвижность частиц под давлением и повысить толщину слоя частиц, располагающихся между сварочным роликом и деталью.

Наличие полимера вызывает изменения в технологии электроконтактной наплавки и оказывает влияние на свойства получаемых покрытий.

Влияние количества полимера и рабочего давления наплавки на электросопротивление было изучено С. Ф. Андроновым [3]на примере ППЛ, содержащих распыленный порошок железа ПЖ-3 с частицами размером до 0,8 мм.

В исходном состоянии, при отсутствии давления, объемное содержание порошка железа в ППЛ составляло 40–60% (плотность в пределах 2500–4500 кг/м³).

Присутствие полимерных оболочек и эластичных перемычек между частицами металла вызывает значительное повышение исходного удельного электросопротивления ППЛ по сравнению со свободным порошком. С ростом давления на ППЛ электросопротивление монотонно снижается и при давлении 50–60 МПа и содержании полимера до 9% практически не отличается от соответствующей величины для несвязанного порошка.

Наплавку ППЛ проводили шовным методом на внутреннюю поверхность чугунных деталей диаметром 106 мм. Наплавляемые ППЛ имели толщину 2,2–2,8 мм и содержали либо порошок железа (ППЛЖ), либо композиции порошковых материалов (ППЛК), состоящие из порошков железа, ферросплавов и самофлюсующихся сплавов. Длительность паузы между импульсами тока составляла 0,08 с. Остальные параметры режимов наплавки приведены в таблице 1.

Таблица 1. Режимы наплавки

№ режима	Удельный сварочный ток jН, кА/мм2	Длительность импульса tИ, с	Давление Р, МПа	Скорость наплавки VН, м/мин	Размер частицы порошка, мм	Плотность ППЛ, кг/м3	Содержание полимера,%
1234567	0.80.80.80.5–1.00.80.80.8	0.120.120.120.120.04–0.200.120.12	20–60404040404040	111.0–2.51111	<0.160.08–0.72<0.16<0.16<0.160.16–0.400.08–0.72	3500350035003500350035002500–4500	666664–126

Формирование наплавленного слоя при электроконтактной наплавке ППЛ происходит в соответствии с законами порошковой металлургии. При наплавке ППЛК на режиме 1 увеличение давления приводит к монотонному снижению пористости наплавленного слоя. Это объясняется тем, что при малом давлении ролика деформация ППЛ затруднена (см. рис. 11, кривые 3 и 4). Это обусловлено наличием несущей способности полимерных мостиков, соединяющих частицы порошков. При увеличении давления до 12 – 15 МПа несущая способность снижается, так как начинается процесс деформации, и разрушения наиболее нагруженной части этих мостиков, который практически заканчивается при 33 – 50 МПа с ликвидацией воздушных пор, т. е. пористость наплавленного слоя уменьшается. В результате между роликом и деталью остается слой в четыре–восемь частиц. ППЛ, содержащие хлопьевидные частицы (порошок ПЖ-ЗС), деформируются значительно меньше, чем содержащие округлые частицы (ПГ–СР2 и ПГ-ФБХ6-2). Устойчивость под давлением толстых слоев ППЛ с хлопьевидными частицами весьма высока по причине неправильности формы этих частиц и высокой шероховатости их поверхности.