книги / Специальные плазменные технологии

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

Ю.Д. Щицын

СПЕЦИАЛЬНЫЕ ПЛАЗМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета

2017

3

4

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время разработан и успешно применяется ряд технологических процессов и установок, основанных на использовании низкотемпературной плазмы. Среди них плазменная и микроплазменная сварка, резка, наплавка, плазменное напыление покрытий, металлизация, плазменное поверхностное упрочнение деталей, плазменная плавка и рафинирование металлов, плазменно-механическая обработка и др.

Использование специальных сварочных технологий позволяет значительно повысить производительность процессов и получить дополнительные преимущества. Например, плазменная наплавка позволяет получать рабочие поверхности изделий со специальными свойствами, при этом само изделие может быть изготовлено из относительно недорогих металлов; финишное плазменное упрочнение позволяет на 50–400 % продлить срок службы изнашивающихся деталей; напыление поверхностных слоев деталей, работающих в сложных условиях, обеспечивает получение свойств, недостижимых при использовании других технологий. Новые возможности получения и обработки материалов дает применение высокочастотных плазменных процессов.

5

1. ПЛАЗМЕННАЯ НАПЛАВКА

Наплавка относится к числу эффективных методов нанесения защитных и упрочняющих покрытий, повышающих ресурс деталей, узлов машин и механизмов, подвергающихся интенсивному изнашиванию. Наплавку используют в основном для восстановления изношенных или поврежденных деталей машин

иоборудования, но на многих производствах она является обязательным технологическим процессом, который применяют при изготовлении новых изделий. Корпуса атомных реакторов и химических установок, трубопроводная арматура, засыпные устройства доменных печей, буровой инструмент, клапаны двигателей внутреннего сгорания, шнеки экструдеров и многие другие детали и изделия современного машиностроения не могут быть изготовлены без наплавки нержавеющими, износостойкими, жаропрочными или другими сталями и сплавами с особыми эксплуатационными свойствами.

Наплавка быстроизнашивающихся или наиболее тяжело нагруженных деталей позволяет увеличить срок их службы, избавить промышленность от необходимости производить большое количество запасных частей, повысить работоспособность

инадежность машин, сократить расходы на их эксплуатацию.

При наплавке новых деталей на их рабочую поверхность наносят слой металла, в значительной мере отличающегося по химическому составу и свойствам от основного металла. Как показывает отечественный и зарубежный опыт, серьезные возможности в этом случае открывает плазменная наплавка. Высокая стабильность горения плазменной дуги, значительная концентрация в ней тепловой энергии, возможность раздельного регулирования уровней нагрева присадочного и основного металлов обусловливают большие преимущества этого процесса перед другими способами наплавки.

6

При плазменной наплавке присадочный материал можно применять в виде порошков, сплошной и порошковой проволоки, лент и др.

1.1. СУЩНОСТЬ ПРОЦЕССА НАПЛАВКИ

Наплавкой называется процесс нанесения одного расплавленного металла (называемого присадочным) на поверхность другого (называемого основным). При этом основной металл также расплавляется на небольшую глубину для образования гомогенного соединения. Цели наплавки могут быть различными: восстановление утраченной геометрии детали или придание ей новой формы, образование поверхностного слоя с заданными фи- зико-механическими свойствами (такими как повышенная твердость, износостойкость, антифрикционные свойства, коррозионная стойкость, жаростойкость и пр.), упрочнение наплавкой.

Наплавкой на поверхности детали можно получить слой нужной толщины, любого химического состава, с разнообразными свойствами.

Наплавка может быть осуществлена многими видами и способами. Классификация видов и способов наплавки указана в ГОСТ 2601-84. В основу классификации положены физические, технические и технологические признаки. Различают дуговую, газовую, электрошлаковую, плазменную, индукционную наплавку и плакирование.

1.2. КЛАССИФИКАЦИЯ СОВРЕМЕННЫХ СПОСОБОВ НАПЛАВКИ

Из известных в сварочной технике более 300 способов наплавки в промышленности широко применяются не более 100, основные из них приведены на рис. 1. Выбор способа на-

7

плавки определяется конструкцией наплавляемого изделия, его массой, формой и размерами изнашиваемых участков, необходимой высотой, массой и химическим составом наплавленного металла.

Рис. 1. Классификация способов наплавки

Главные требования к способам наплавки заключаются в получении качественного наплавленного металла при минимальном проплавлении основного металла и оптимальной производительности процесса.

1.3. ОСНОВНЫЕСПОСОБЫПЛАЗМЕННОЙНАПЛАВКИ

Плазменная дуга и плазменная струя являются высокоэффективными тепловыми источниками, которые широко используются для резки, сварки, наплавки и напыления. Первые промышленные способы плазменной наплавки были разработаны в СССР и США в 1960-х годах.

Большим преимуществом плазменных процессов является сочетание высокой мощности и концентрации энергии (табл. 1)

8

с возможностью использования силового и вспомогательного механического оборудования, разработанного для дуговых способов сварки.

Таблица 1

Основные технико-экономические характеристики источников нагрева

Большинство способов плазменной наплавки, в свою очередь, подразделяются по технологическим (род тока, вид присадочных материалов, количество электродов, наличие внешнего воздействия и т.п.) и техническим (способ защиты металла в зоне наплавки, степень механизации процесса, непрерывность процесса наплавки) признакам (рис. 2). Как правило, плазменную наплавку выполняют постоянным током прямой полярности, реже обратной. Наплавка переменным током возможна, но после создания плазмотронов, способных длительное время устойчиво работать на постоянном токе обратной полярности, такое направление малоперспективно. На практике переменный ток при плазменной наплавке используют лишь для нагрева присадочной проволоки. Запатентована и находит применение наплавка импульсным током.

Наплавленное изделие может быть включенным в электрическую цепь (наплавка плазменной дугой) или быть нейтральным (наплавка плазменной струей). В последнем случае

9