Общие сведения о Плазменно-порошковая наплавка

Основные требования к  наплавочным порошкам

Требования к порошкам для плазменной наплавки обусловлены  необходимостью обеспечения длительной и бесперебойной работы оборудования (порошковых дозаторов и плазмотронов) и получения доброкачественного наплавленного металла. Бесперебойная работа оборудования зависит от текучести и гранулометрического состава порошков, а качество наплавленного металла во многом определяется химическим составом, содержанием газов, гигроскопичностью, отсутствием вредных примесей в порошке [2].

Текучесть порошков должна быть достаточной  для равномерной и бесперебойной работы дозирующих устройств и плазмотронов. Опыт показывает, что для нормальной работы барабанных дозаторов, которые наиболее широко применяют для плазменной наплавки, предпочтительнее порошки с текучестью 4-10 с. Хорошая текучесть важна также для нормальной работы наплавочных плазмотронов, в которых порошок, прежде чем попасть в дугу, должен пройти через систему каналов малого сечения. При малой текучести возможно забивание порошком транспортирующей трубки и каналов в плазмотроне, а при большой — наблюдается самопроизвольное высыпание порошка при неподвижном барабане дозатора вследствие вибрации оборудования.

Кроме хорошей текучести, порошки не должны комковаться и слеживаться в процессе хранения. Влажность наплавочных порошков должна быть минимальной. Несмотря на то, что по требованиям технической документации (ГОСТ 21448-75, ТУ 14-22-33-90) влажность готового порошка контролирует изготовитель (она не должна превышать 0,1%), после длительного хранения порошок перед наплавкой необходимо просушить.

Как показывает опыт, для плазменной наплавки целесообразно применять  порошки гранулометрического состава 0,06-0,315 мм (допускается увеличение максимального  диаметра частиц до 0,4 мм) [2]. Оптимальный гранулометрический состав порошка для плазменной наплавки определяется, главным образом, конструкцией плазмотрона и в меньшей степени зависит от свойств материала частиц порошка. При использовании плазмотронов с внутренним вводом порошка наличие в подаваемом порошке частиц размером меньше 0,06 мм приводит к частым нарушениям процесса наплавки вследствие образования «настылей» на стенках фокусирующего сопла в зоне ввода порошка в дугу. Но слишком крупные частицы не успевают расплавиться в плазменной дуге и в сварочной ванне, что ведет к большим потерям порошка в процессе наплавки и к появлению дефектов в наплавленном металле.

Наплавочные порошки должны содержать меньше газов, как растворенных в металле, так и в виде оксидов на поверхности частиц. Повышенное содержание газов в порошке может вызвать разбрызгивание металла при наплавке и появление в наплавленном слое пор и неметаллических включений. Высокая концентрация кислорода приводит также к образованию на поверхности наплавленных валиков шлака, затрудняющего многослойную наплавку.

 

Важнейшие способы получения порошков для плазменной наплавки

 

В промышленности нашли применение следующие способы получения металлических порошков для наплавки: механическое измельчение; распыление струи жидкого металла водой или газами под давлением; центробежное распыление вращающегося электрода, нагреваемого дугой или плазмой.

Механическое измельчение (дробление и размол в дробилках, мельницах, валках и пр.) достаточно широко распространено в практике порошковой металлургии. При дроблении твердых тел затрачиваемая энергия расходуется в основном на деформацию и нагрев. Работа же на диспергирование, т.е. на увеличение поверхности раздела твердого тела мала. КПД различных размалывающих устройств, если его выразить отношением энергии образования новых поверхностей к потребляемой энергии, обычно не превышает 1%. Этим объясняется низкая производительность и достаточно высокая стоимость получения порошков с помощью механического измельчения. Для порошков, полученных механическим измельчением, характерна осколочная форма частиц (рис. 3, а). Частицы такого порошка имеют крупнозернистую структуру (рис. 4, а).

Легко подвергаются механическому  дроблению хрупкие материалы. Однако получение этим методом порошков сравнительно пластичных сплавов связано с большими трудностями.

Рис. 92. Внешний вид частиц наплавочных порошков, изготовленных различными методами: а – ЛП-8 (дробление литой ленты); б – ПР-НХ16СР3 (распыление азотом); в – ПР-НХ16СР3 (распылении аргоном); г – ПГ-С1 (распыление водой);  д – ПГ-С1, легированный 0,14% алюминия (распыление водой) [2].

Рис. 93. Микроструктура порошков Ni-Cr-Si-B-сплава: дробленого (а), распыленного водой (б) и распыленного азотом (в); ´300 [2].

Наиболее распространенным методом получения наплавочных  порошков механическим измельчением является способ, разработанный Одесским ЦКТБ [2]. Особенность этого способа заключается в том, что измельчению подвергаются не компактные куски сплава, а тонкий лист, получаемый непосредственно из жидкого металла путем прокатки. Лист дробят в специальном агрегате, состоящем из валковой дробилки, сит и элеваторов. На ситах соответствующих размеров производится рассев порошка на необходимые фракции. Некондиционные фракции отправляются на повторный переплав. Таким способом ежегодно производилось до 300 т порошков сормайта и других железо-хром-углеродистых сплавов, которые использовали для индукционной наплавки, в основном, рабочих органов сельскохозяйственных, дорожных и строительных машин и механизмов [2].

Дробленые литые порошки из-за их относительно низкой текучести целесообразно применять для плазменной наплавки по слою крупки. Значительно реже их используют для плазменно-порошковой наплавки.

Распыление струи жидкого металла  потоком газа (аргон, азот, воздух) или  воды высокого давления является одним  из наиболее производительных и широко распространенных методов получения порошков металлов и сплавов [2].

Распыление применяют для изготовления порошков как легкоплавких металлов и сплавов (алюминия, свинца, цинка, олова, меди, латуни, бронзы), так и порошков на основе железа, никеля, кобальта и др. Предельная температура плавления распыляемых металлов и сплавов ограничена стойкостью огнеупоров и не превышает 1600°С [2].

Частицы порошков, полученных распылением, могут иметь различную форму и величину (см. рис. 3, б-д). Поскольку распыленный порошок состоит из частиц разного размера, это вызывает необходимость отсева частиц некондиционных размеров и последующего переплава этих отходов. Форма частиц зависит от поверхностного натяжения и вязкости расплавленного металла, содержания в нем легирующих добавок и раскислителей, а также от условий распыления. Изменив эти факторы, можно получить наплавочные порошки одинакового химического состава, но с разной формой частиц — от неправильной до сферической (см. рис. 3, г, д). Частицы распыленных порошков могут иметь внутренние поры, заполненные газом (см. рис. 4, б). При наплавке такие частицы «взрываются», что приводит к неустойчивой работе плазмотронов. Это является серьезным недостатком распыленных порошков.

В отличие от порошков, полученных механическим измельчением (см. рис. 4, а), распыленные порошки имеют более мелкозернистую структуру (см. рис. 4, б).

На практике применяют технологию распыления жидкого металла водой; инертным газом, азотом или воздухом с охлаждением в воде; инертным газом, азотом или воздухом с охлаждением в среде того же газа.

Распыление водой — самая  экономичная технология получения  порошков, но она не всегда обеспечивает необходимое качество порошков. Приемлемое качество обеспечивается при распылении порошков самофлюсующихся Ni-Cr-Si-В-сплавов с относительно низкой температурой плавления. При распылении тугоплавких сплавов получается порошок с частицами неправильной формы. Распыление газами дает лучшие результаты как с точки зрения выхода порошка требуемого гранулометрического состава, так и его качества (форма частиц, газонасыщенность и т.д.).

Как указывалось выше, основным недостатком  метода получения порошков распылением струи жидкого металла потоком газа или воды высокого давления является его газонасыщенность. Присадочные порошки вследствие большой удельной поверхности могут абсорбировать значительные количества газов и влаги. При их распылении в окислительной атмосфере поверхность частиц окисляется. При распылении азотом порошки могут насыщаться азотом. Крупные частицы порошка имеют внутренние поры, заполненные газом. Общее содержание газов в порошках разной грануляции приведено в табл. 1.[2]

 

Таблица 1. Содержание газов в наплавочных порошках, полученных распылением жидкого металла азотом (ПН-АН31) и водой (ПГ-У30Х28Н4С4)

Марка	Размеры частиц, мм	Содержание газов, %
		[О]	[Н]	[N]
ПН-АН31	<0,1	0,034	0,001	0,141
	0,16-0,20	0,080	0,011	0,102
	0,315-0,40	0,056	0,011	0,065
	0,56-0,63	0,035	0,009	0,061
ПГ-У30Х28Н4С4	0,315-0,40	0,036	0,005	0,088
	0,56-0,63	0,065	0,002	0,111
	1,0-1,6	0,045	0,004	0,139

 

Авторы [2] исследовали содержание газов в порошках разных фракций в зависимости от химического состава и температуры распыляемого металла, а также от применяемой распыляющей среды: азот, аргон, воздух, вода. Большинство опытов было выполнено с Ni-Cr-Si-В-сплавами, порошки которых изготавливаются в больших объемах и находят разнообразное применение. Содержание газов в порошках определяли методом вакуумной плавки. Перед анализом порошки высушивали при 110°С до постоянной массы и запрессовывали в ампулы из стали У8.

Установлено, что присадочные порошки, полученные распылением жидкого металла водой, аргоном и азотом, содержат практически одинаковое количество кислорода, в то же время, при распылении воздухом концентрация кислорода в порошке примерно в два раза выше. Следует отметить, что эти показатели справедливы для порошков любой грануляции (рис.5, а).

Рис. 5. Зависимость содержания кислорода [О] от диаметра частиц d (а) и величины 1/d (б) для порошков Ni-Cr-Si-B-сплавов, полученных распылением:     1 — водой; 2 — азотом; 3 — аргоном; 4 — воздухом

Независимо от распыляющей  среды максимальное содержание кислорода  наблюдается в порошках мелких фракций, что связано с их большой удельной поверхностью. С увеличением диаметра частиц содержание кислорода уменьшается и стремится к некоторому постоянному значению, характеризующему, по-видимому, предельную концентрацию кислорода в металле. Дополнительное количество кислорода содержится на поверхности частиц порошка в виде оксидной пленки.

Общее содержание кислорода в порошке  можно выразить

 

(2)

где [О_м] — концентрация кислорода в металлическом ядре частицы; {0}_ок — концентрация кислорода в оксидной поверхностной пленке; 5 — толщина оксидной пленки, мм; , — плотность соответственно металла и пленки, г/мм³; d — диаметр частиц, мм.

Из формулы (2) следует, что при постоянной толщине оксидной пленки и неизменном ее составе, зависимость =f(1/d) должна быть линейной. Графики функции =f(1/d)  построенные по экспериментальным данным, представляют собой прямые линии при d≥0,16-0,18 мм и значительно отклоняются от прямой при меньших диаметрах частиц (рис. 5, б). Это позволяет считать, что в порошках одной и той же плавки толщина оксидной пленки на частицах диаметром более 0,16 мм примерно одинакова и, как показывают расчеты, составляет 0,12-0,3 мм. В порошках фракции 0,06-0,1 мм толщина пленки в 2-3 раза меньше, что обусловлено высокой скоростью охлаждения мелких частиц. В порошках кобальтового стеллита (ПН-АН31) и сормайта (ПГ-У30Х28Н4С4) зависимость содержания кислорода от гранулометрического состава выражена менее четко (см. табл. 1).

Повышение температуры распыляемого металла сопровождается более интенсивным его окислением при распылении газами (рис. 6, а) и практически не сказывается на содержании кислорода в порошке при распылении водой (рис. 6, б).

Известно [2], что при сварке нераскисленных никелевых сплавов наблюдаются поры, вызванные выделением водяных паров, образующихся в результате взаимодействия водорода с оксидом никеля по реакции

[NiO]+[H]↔Ni+H₂O↑. (3)

В порошках наплавочных сплавов  на основе никеля кислород связан в  термодинамически более прочные, чем NiO, соединения (бораты, силикаты и др.), восстановление которых в сварочной ванне водородом маловероятно. Поэтому, несмотря на одновременное присутствие в присадочных порошках значительных количеств водорода (до 100 см³/100 г) и кислорода, поры наблюдаются только при наплавке порошком, распыленным воздухом, и связаны, вероятнее всего, с образованием оксида углерода СО.

Содержание остаточного водорода в порошках мало зависит от гранулометрического  состава и условий распыления и колеблется в пределах 0,001-0,011% (см. табл. 1).

В исследованных порошках содержание азота практически не зависит  от распыляющей среды, при этом максимальная концентрация азота, как и кислорода, наблюдается в порошках тонких фракций (рис. 7).

Азот, содержащийся в присадочных  порошках в количестве 0,061-0,141% (см. табл. 1), не вызывает пор в наплавленном металле. Это подтверждают положительные результаты экспериментов по наплавке никельхромкремнийбористых и железохромуглеродистых сплавов с защитой сварочной ванны азотом.