Общие сведения о Плазменно-порошковая наплавка

Содержание легирующих элементов  в распыленных порошках наплавочных  сплавов практически не зависит  от размеров частиц. Наблюдавшиеся  отличия в химическом составе  разных фракций порошка не превышали  точности анализа. Лишь при распылении сплава НХ16СРЗ воздухом четко заметен повышенный угар углерода в мелкозернистых фракциях.

В металле, наплавленном плазменно-порошковым методом, содержится 0,003-0,019% кислорода[2], что намного ниже, чем в присадочных порошках. Это свидетельствует об энергичном раскислении металла сварочной ванны углеродом, кремнием и другими элементами, содержащимися в присадочном порошке. При повышенном содержании кислорода в сварочной ванне этот процесс сопровождается сильным разбрызгиванием, появлением пор и неметаллических включений в наплавленном валике, а также образованием на его поверхности значительного количества шлака. В связи с этим содержание кислорода в присадочных порошках хромоникелевых сплавов с бором и кремнием не должно превышать 0,10-0,12%, а в порошках кобальтхромовых и железоуглеродистых сплавов — 0,06-0,08%. Этим требованиям отвечают порошки, полученные распылением водой или инертным газом [2].

Высококачественные порошки  с низким содержанием газов могут быть получены методом расплавления вращающегося стержня, верхний конец которого нагревается дугой или плазмой. Распыление происходит за счет разбрызгивания центробежной силой капель жидкого металла. Затвердевшие капли жидкого металла собираются в камере, заполненной инертным газом. Этот метод позволяет получать сферические частицы диаметром 0,03-0,5 мм. Стоимость производства порошков этим методом существенно больше, чем при распылении газом. Однако в случае распыления тугоплавких материалов (карбид вольфрама) или высоколегированных сплавов этот метод может дать существенные преимущества.

                 

Рис. 6. Зависимость концентрации кислорода в порошке ПР-НХ16СРЗ

от температуры металла при  распылении азотом (а) и водой (б)

Рис. 7. Зависимость концентрации азота в порошке ПР-НХ16СРЗ от диаметра частиц: 1 — при распылении водой; 2 — при распылении азотом

Анализ показывает, что  распыление жидкого металла струей воды или газа высокого давления — наиболее простой и производительный метод получения легированных порошков, и он наиболее широко применяется в промышленном производстве порошков как для плазменной наплавки, так и для металлизации и газопламенной наплавки. В зарубежной практике для производства порошков наплавочных сплавов преимущественно используют распыление расплавленного металла азотом и охлаждение получаемого порошка в воде.

Газы для плазменной наплавки

 

При плазменной наплавке рабочий газ  должен обеспечивать надежную защиту сварочной ванны и электрода от окисления, а также способствовать устойчивому горению плазменной дуги. Кроме того, при плазменно-порошковой наплавке газ используют в качестве транспортирующего для подачи присадочного порошка в плазмотрон и его последующего вдувания в плазменную дугу. Газовая среда должна быть химически нейтральной по отношению к наплавляемому и основному металлам. В качестве рабочих газов при наплавке (сварке) используют инертные газы (аргон, гелий), активные газы (азот, водород) и смеси газов.

Таким образом, газовая среда при  плазменной наплавке состоит из трех потоков: плазмообразующего потока (обычно аргон), который сжимает и стабилизирует дугу и защищает вольфрамовый электрод от окисления; защитного — предохраняет от окисления сварочную ванну (аргон, гелий, азот, смеси газов); транспортирующего при плазменно-порошковой наплавке (аргон, гелий, азот, смеси газов). Некоторые физические свойства газов, используемых при плазменной наплавке, приведены в табл. 2.

Наиболее широко для плазменной наплавки применяют аргон. Он хорошо защищает сварочную ванну от окисления  и обеспечивает высокую устойчивость горения плазменной дуги. Кроме того, аргон обеспечивает относительно низкое напряжение возбуждения дуги, что позволяет применять источники питания с напряжением холостого хода до 80 В. По сравнению с этим, при использовании азота необходимы источники с напряжением холостого хода 160 В, а при использовании водорода — 320 В.

Гелий, как и аргон — инертный газ, но существенно более легкий (см. табл. 2). При наплавке его расход должен быть на 30-40% больше расхода аргона. Его высокая теплоемкость и энтальпия обусловливают более интенсивный нагрев зоны наплавки, что отражается на проплавляющей способности дуги. На практике применяют аргоно-гелиевые смеси (40% аргона+60% гелия), которые лучше защищают сварочную ванну, чем гелий. Поскольку гелий значительно дороже аргона, то его применение в чистом виде ограничено.

Таблица 2. Физические свойства некоторых  инертных и активных газов [2]

 

Газ	Молекулярная масса	Температура плазмы, К	Теплосодержание плазмы, ккал/кг	Потенциал ионизации, В	Расход энергии на нагрев газов, %	Удельная теплоемкость, кал/ (г- °С)
Аргон	39,94	14700	4660	15,7	40	0,125
Гелий	4,00	20300	51060	24,5	48	1,25
Азот	28,00	7500	9930	14,5	60	0,248
Водород	2,01	5400	76600	13,5	80	3,4

 

Активные газы (азот, водород) при  наплавке используют, как правило, в  составе газовых смесей: 70-80% Аr+20-30% N₂, 95% Ar+5% Н₂ и др. В больших количествах использовать активные газы нежелательно, так как известно [2], что добавки в аргон двухатомных газов приводят к возрастанию напряженности электрического поля в столбе плазменной дуги и к увеличению тепловой нагрузки на стенки сопла плазмотрона, а также снижают устойчивость дугового разряда, затрудняют возбуждение дуги и повышают вероятность образования так называемой «двойной дуги». Особенно возрастает напряжение дуги при использовании водорода, имеющего большую теплопроводность и теплоемкость (см. табл. 2). При плазменно-порошковой наплавке отрицательный характер этих явлений усугубляется сравнительно большой длиной дуги — от 20 до 30 мм, из которых около 15 мм приходится на внутрисопловую часть.

Замена аргона азотом отражается на проплавлении основного металла  и формировании наплавленных валиков. При равных значениях силы тока дуги прямого действия и расходе газа проплавление основного металла при наплавке в азоте существенно больше, чем в аргоне. Это связано с большим теплосодержанием и более высокой теплопроводностью азотной плазмы (см. табл. 2). Поэтому при наплавке в азоте сила тока дуги прямого действия должна быть на 8-12% меньше, чем при наплавке в аргоне. Формирование наплавленного металла при наплавке в азоте или аргоно-азотной смеси хуже, чем при наплавке в чистом аргоне.

Использование в смесях большого количества активных газов может также привести к их растворению в металле  сварочной ванны и последующему появлению пор в наплавленном металле.

По этим причинам в смесях с аргоном содержание водорода ограничивают 5%. Небольшие добавки водорода существенно  повышают тепловые характеристики плазменной дуги. Использование таких смесей улучшает смачивание основного металла и обеспечивает хорошее формирование наплавленного металла.