Наплавка порошковых материалов в металлической оболочке.

Сущность предлагаемого способа заключается в том, что при помещении порошка в оболочку исключается его контакт с электродом, следовательно, стойкость электрода должна повыситься. Появляется возможность предварительного изготовления порошкового материала для электроконтактной наплавки: его можно уплотнять (протяжкой, прокаткой) или спекать, причем оболочка предохраняет порошок от окисления. Наличие металлической оболочки позволит увеличить количество компонентов с высоким электрическим сопротивлением, так как в этом случае ток протекает по оболочке и нагревает ее до температуры перехода в пластическое состояние; при определенном усилии, прилагаемом к электроду, происходит соединение оболочки с основным металлом, а порошковый материал нагревается теплом, поступающим от оболочки [4]. На рис. 12 показана предлагаемая схема процесса электроконтактной наплавки.

Рис. 12. Схема процесса электроконтактной наплавки порошкового материала, заключенного в металлическую оболочку: 1 – электроды электроконтактной установки; 2 – металлическая оболочка; 3 – порошковый материал; 4 – наплавляемая заготовка; 5 – источник питания

Для подтверждения выдвинутых положений были выполнены следующие опыты.

Производили наплавку порошковым материалом без оболочки и в оболочке. Наплавка порошка без оболочки осуществлялась известным способом. Для наплавки по предлагаемому способу шихту, состоящую из порошков сплава ПГ-С1 и углеродистого феррохрома ФХ800, засыпали в оболочку (имевшую вид трубки диаметром 5 мм) из стали 08кп. Полученную заготовку протягивали до диаметра 4 мм, продували аргоном, герметизировали и вновь протягивали – до диаметра 3 мм. Затем производили электроконтактную наплавку порошкового материала, заключенного в металлическую оболочку, на пластину из стали СтЗ толщиной 10 мм. Исследовали зависимость прочности сцепления от параметров режима (тока I_св, времени протекания импульса тока t_и, длительности паузы между импульсами t_п, усилия па электроде Р). Прочность сцепления покрытия с основным металлом определяли путем отрыва штифта приложенной силой по методике [7].

При оптимальных режимах наплавки прочность сцепления порошкового материала, заключенного в металлическую оболочку, в 2–2,5 раза выше, чем порошка без оболочки. При увеличении усилия на электроде в исследованных пределах прочность сцепления покрытия с деталью уменьшается. Это объясняется снижением температуры нагрева в зоне соединения, связанным с деформацией металлической оболочки до включения импульса электрического тока: при этом увеличивается площадь контакта между оболочкой и деталью, уменьшаются электрическое сопротивление контакта и плотность тока.

Проведенные сравнительные испытания с целью определения физико-механических свойств покрытий, полученных при использовании порошковых материалов, заключенных в оболочку и без нее (табл. 2), показали, что в первом случае, вследствие значительного снижения пористости слоя, повышается его твердость и износостойкость. Уменьшению пористости способствует наличие оболочки, которая позволяет предварительно уплотнять порошок в процессе протяжки и, кроме того, создает благоприятное напряженное состояние при наплавке, близкое к состоянию всестороннего сжатия. Значительно возрастает срок службы (стойкость) электродов электроконтактной установки. При наплавке порошка ПГ–С1+ФХ800 в оболочке стойкость электрода из бронзы типа БрХ составляет 200…250 м до переточки против 30...40 м при наплавке порошка того же состава без оболочки. Следовательно, применение металлической оболочки при электроконтактной наплавке с применением известных материалов дает следующие преимущества:

– повышаются физико–механические свойства наплавленного слоя в результате снижения пористости;

– увеличивается прочность сцепления покрытия с основой;

– предотвращается окисление порошкового материала;

– создается благоприятное напряженное состояние, близкое к всестороннему сжатию;

– увеличивается срок службы электродов;

– стабилизируется толщина наплавленного слоя благодаря точной дозировке порошкового материала;

появляется возможность снижения напряжений в наплавленном слое, так как оболочка является своеобразной мягкой прослойкой между основным металлом и покрытием.

С целью определения возможности увеличения количества неэлектропроводных компонентов в шихте было изучено температурное поле при электроконтактной наплавке порошка ПГ–С1+ФХ800 (с различным количеством карбида бора), заключенного в металлическую оболочку.

Таблица 2. Сравнительная характеристика физико–механических свойств покрытий

Примечание. Здесь e – относительная износостойкость.

Рис. 13. Температурное поле в начальный (а) и конечный (б) моменты наплавки порошка, заключенного в металлическую оболочку: 1 – электрод электроконтактной установки; 2 – оболочка; 3 – порошковый материал; 4 – основной металл; 5 – источник питания; · – места размещения термопар

Температура измерялась с помощью хромель–алюмелевых и платино–платинородиевых термопар. Места расположения термопар показаны на рис. 13. Градуировка термопар проводилась по точке кипения воды (373 К) и температуре плавления свинца (602 К). Регистрация сигнала осуществлялась шлейфовым осциллографом К12–22.

Как видно из рис. 13, в начальный момент электроконтактной наплавки температура в срединной области порошкового материала значительно ниже, чем температура оболочки. Это объясняется низкой электрической проводимостью порошка: практически в данный момент весь ток протекает по металлической оболочке. Однако нагрев порошка теплом, получаемым от оболочки, и уплотнение его усилием, приложенным к электроду, приводит к снижению электрического сопротивления порошкового слоя, его дальнейшему нагреву и уплотнению за счет пластической деформации частиц; происходит выравнивание температуры по сечению порошкового сердечника. Дальнейший нагрев приводит к перегреву последнего, что при неправильно выбранном режиме (большом токе или увеличенной длительности импульса) может вызвать нарушение стабильности электроконтактного процесса, расплавление порошкового материала, прожог и выплеск расплавленного металла.

В табл. 3 приведены физико–механические свойства наплавленного слоя. Увеличение количества карбида бора до 20% приводит к резкому возрастанию пористости, снижению пластических свойств покрытия, а также износостойкости вследствие ухудшения прочности сцепления между частицами порошкового материала (о чем свидетельствует выкрашивание твердой составляющей композиционного слоя при испытаниях на износостойкость).

Таблица 3. Физико-механические свойства наплавленного слоя при различном содержании карбида бора

Очевидно, при введении более 15% карбида бора, получаемый порошковый материал характеризуется высоким электрическим сопротивлением и низкой теплопроводностью и не успевает прогреться за время наплавки, поэтому плохо уплотняется и спекается. Однако наличие оболочки позволило несколько увеличить критическое количество компонентов-диэлектриков (до 15%), при этом электроконтактный процесс сохраняет стабильность на всем протяжении наплавки.