Использование ППЛ вместо несвязанных ПМ позволяет увеличить толщину слоя, заключенного между сварочным роликом и деталью, в условиях приложения рабочего давления (50 – 75 МПа) для хлопьевидных частиц в 1,1 – 1,5 раза, а для округлых частиц – в 2 – 3 раза. Таким образом, при наличии между частицами порошковых материалов упругого эластичного полимера, прочно соединенного с ними, значительно повышается устойчивость этих частиц к относительному перемещению при сжатии. ППЛ всех исследованных составов и толщин под давлением роликов не разрушаются на отдельные фрагменты, а остаются единым телом.
Увеличению пористости наплавленного слоя способствует рост средних размеров частиц ППЛЖ (режим 2), а так же изменение скорости наплавки ППЛК (режим 3).
Все сказанное о нагреве ПМ при наплавке относится к ППЛ, однако, при этом надо учитывать ряд особенностей. Во время наварки ППЛ нагревается и вокруг наплавляемого участка, полимер в этой зоне подвергается термической деструкции, частицы порошковых материалов оказываются свободными от полимерных связей и уносятся охлаждающей водой. Эти потери составляют 10–15% от массы ППЛ. Кроме того, масса наплавленного слоя меньше массы наплавленной ППЛ на величину, равную массе полимера.
При наварке полимер частично сгорает и образует газы и дым, которые необходимо удалять при помощи, приточно-вытяжной вентиляции. Другая часть полимера выдавливается из зоны сварки в виде кашеобразной массы.
Выделение газов при наварке в некоторых условиях приводит к повышению пористости наплавленного слоя.
Наварка ПМ и ППЛ позволяет получать покрытия различной пористости от 1 до 28%. Поры в покрытиях распределяются неравномерно: наименьшая пористость наблюдается в зонах наибольшего нагрева.
С ростом удельного сварочного тока наблюдается интенсивный рост пористости наплавленного слоя. Аналогичный процесс наблюдается и при наплавке ППЛК (см. таблицу 1, режим 5) с варьируемой длительностью импульса. Таким образом, рост интенсивности и уровня теплового воздействия на ППЛ ведет к увеличению пористости наплавленного слоя. Это явление обусловлено повышением давления газов и наплавляемом слое при увеличении интенсивности тепловыделения. Вместе с тем с повышением содержания полимера от 4 до 8% газовыделение способствует увеличению подвижности частиц порошковых материалов и обеспечивает их более плотную упаковку при наплавке, при этом газы выходят через поры в атмосферу. При более высоком содержании полимера количество выделяющихся газов таково, что они не успевают выходить из наплавляемого слоя и препятствуют замыканию пор.
Усадку (процентное отношение изменения толщины ППЛ после наплавки к исходной толщине) определяли при наплавке ППЛЖ и ППЛК на режиме 7 (см таблицу 1). Установлено, что при изменении плотности ППЛЖ и ППЛК от 2500 до 4500 кг/м3 усадка уменьшается от 59 до 49%, при изменении средних размеров частиц порошка от 0,08 до 0,72 мм усадка увеличивается от 53 до 57%. При плотности ППЛЖ 3500 кг/м3 и размерах частиц порошка 0–0,16 мм изменение содержания полимера от 4 до 12% приводит к увеличению усадки от 53 до 60%, что связано с ростом объема выгорающего полимера. После прохождения через один и тот же участок ППЛ второго и третьего импульсов тока усадка составляет 1–4%.
Эксперименты по определению прочности на срез наплавленного слоя и основного металла показали, что после наплавки с наименьшими значениями давления, удельного тока и длительности импульсов разрушение происходит по поверхности соединения детали и наплавленного слоя, а после наплавки на всех остальных режимах наплавленный слой отделялся с вырывом материала детали.
Металл ЗТВ частично отбеливается и частично закаливается. По мере роста уровня термического воздействия на деталь толщина упрочненного слоя чугуна увеличивается. Разрушение при испытаниях происходило по границе упрочненной зоны. С увеличением сварочного тока от 0,50 до 0,85 кА/мм2 прочность соединения возрастает с 35 до 220 МПа. Дальнейший рост тока приводит к некоторому снижению прочности соединения в связи с тем, что в данных условиях охлаждения при увеличении тепловложения не обеспечивается требуемая для закалки скорость охлаждения.
При наплавке ППЛЖ на режиме 1 (см таблицу 1) увеличение толщины ППЛ от 1,0 до 5,5 мм приводит к росту прочности соединения от 120 до 240 МПа, а при удельной величине сварочного тока 1 кА/мм2 соответственно от 2,2 до
5,5 мм и от 170 до 240 МПа. Рост размеров частиц порошка в ППЛЖ от 0,08 до 0,72 мм ведет к снижению прочности соединения от 240 до 180–190 МПа. Увеличение содержания полимера в ППЛ также снижает прочность соединения.
ППЛ при подготовке и подаче под наварку требует осторожного обращения, так как при изгибе до радиуса кривизны < 10 мм и растяжении со средним напряжением sр = 1–3 МПа она растрескивается и разрушается. Вместе с тем, ППЛ легко режется ножом, может содержать любую композицию ПМ и при этом может быть изготовлена с использованием комплекта простых приспособлений.
Серьезной проблемой при наварке ПМ и ППЛ является низкая надежность работы узлов сварочных роликов, подвижные части которых заклинивают на осях от попадания в зазор между ними частиц порошковых материалов. Поэтому узлы сварочных роликов должны быть защищены от попадания частиц порошков в их опоры скольжения. При использовании сухих ПМ дополнительно необходима герметичная система внутреннего охлаждения.
Другим путем связывания частиц ПМ в компактное тело является изготовление порошковых спеченных лент (ПСЛ). При их спекании в печах в течение нескольких часов между контактирующими участками соседних частиц протекают диффузионные процессы, поэтому границы между частицами становятся размытыми. Такой характер границ остается и в наплавленном слое. Пористость ПСЛ составляет 0,5–20%. Пластичность ПСЛ зависит от состава, она снижается с повышением содержания упрочняющих порошковых материалов. При намотке на деталь или установке в полость детали малопластичные ПСЛ растрескиваются. Такие ПСЛ необходимо многократно вальцевать, постепенно приближая радиус гибки к радиусу кривизны поверхности детали, размещать их на поверхности детали как втулки, после чего прихватывать и производить наварку.
Нагрев ПСЛ при наварке и формирование наплавленного слоя происходят так же, как и в случае использования СЛ. Отличие состоит в том, что ПСЛ пористые и поэтому при обжатии имеют заметную усадку, пропорциональную пористости, которая после наварки снижается. При наварке присадочные материалы с материалом детали не перемешиваются.
Недостатки способа ЭКНП и возможности их устранения
Широкое внедрение способа электроконтактного нанесения порошковых материалов сдерживается рядом существенных недостатков [5].
Как известно, дальнейшее увеличение износостойкости материалов при одновременном сокращении расхода легирующих элементов возможно только при широком использовании композиционных материалов, твердая составляющая которых является диэлектриком. Однако по результатам исследований Радомысельского И. Д. и Рыморова Е. В. [8] известно, что критическая концентрация компонентов-диэлектриков не превышает 1-2% от массы. При превышении указанных пределов происходит нарушение стабильности электроконтактного процесса в результате разделения токопроводящих частиц порошкового материала частицами с высоким электрическим сопротивлением. Тем не менее, на практике для обеспечения требуемых эксплуатационных показателей покрытия должны содержать 5-10% и более функциональных наполнителей. Практически нанести покрытия этих составов электроконтактным методом невозможно.
Меры, применяемые в настоящее время для устранения указанного недостатка малоэффективны. Введение высоко- электропроводных компонентов не решает проблемы. Даже введение в шихту меди (до 8% от массы) не позволяет снизить электросопротивление порошка. Регулируя соотношение размеров частиц наполнителя и матрицы можно увеличить содержание диэлектриков в шихте без повышения его критического начального электросопротивления. Однако такое повышение (в среднем до 8% от массы) не позволяет значительно увеличить износостойкость порошкового материала.
Пробой неэлектропроводного порошкового слоя током высокого напряжения приводит к получению высокопористого материала и к необходимости последующей пластической деформации с целью уплотнения покрытия. Использование ультразвуковых и магнитных колебаний, применение электродинамического удара позволяют решать конкретные задачи и значительно усложняют применяемое оборудование.