Электроконтактная наплавка

     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 n порошковых 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

     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.

     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 s_р = 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.