«Дослідження властивостей шаруватих матеріалів, отриманих багатошаровим плазмовим наплавленням»

Лесечко, Іван Володимирович

Please use this identifier to cite or link to this item: https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/9075

Title:	«Дослідження властивостей шаруватих матеріалів, отриманих багатошаровим плазмовим наплавленням»
Authors:	Коваленко, Юрій Іванович Лесечко, Іван Володимирович
Keywords:	Плазмове наплавлення
Issue Date:	2024
Abstract:	Тема кваліфікаційної роботи магістра: «Дослідження властивостей шаруватих матеріалів, отриманих багатошаровим плазмовим наплавленням» Виконавець: студент групи мНТ-32 Лесечко Іван Володимирович. Керівник: к.т.н, доцент Коваленко Юрій Іванович. Кваліфікаційна робота містить 91 сторінку формату А4, 30 рисунків, 9 таблиць, 87 літературних джерел. Актуальність роботи: Сучасний розвиток машинобудування вимагає використання матеріалів із високими експлуатаційними характеристиками, які здатні витримувати підвищені механічні, термічні та хімічні навантаження. Шаруваті матеріали, отримані методом багатошарового плазмового наплавлення, дозволяють поєднувати властивості різних сплавів у межах одного виробу, що значно розширює їхні можливості застосування. Застосування таких матеріалів актуальне для авіаційної, космічної, транспортної та енергетичної промисловості, де висуваються високі вимоги до зносостійкості, корозійної стійкості та довговічності деталей. Водночас залишається проблема оптимізації процесу плазмового наплавлення для отримання стабільної структури, мінімізації дефектів та забезпечення рівномірного розподілу механічних властивостей по всій товщині матеріалу. Дослідження у цій роботі спрямовані на визначення впливу технологічних параметрів багатошарового плазмового наплавлення на структуру, механічні властивості та корозійну стійкість отриманих матеріалів. Результати можуть бути використані для вдосконалення технологій наплавлення та розширення сфери застосування шаруватих матеріалів у промисловості. Структура роботи: Розділ 1 присвячено аналізу сучасних методів отримання шаруватих матеріалів. Розглянуто основні методи з’єднання та наплавлення металів, включаючи дифузійне зварювання, зварювання вибухом, лазерне та електроннопроменеве наплавлення. Особливу увагу приділено методу плазмового5 наплавлення, його перевагам, недолікам та основним параметрам, що впливають на формування мікроструктури та експлуатаційних характеристик шаруватих матеріалів. Розділ 2 присвячено дослідженню теплових процесів при плазмовому наплавленні. Розглянуто вплив струму прямої та зворотної полярності на процес формування наплавленого шару. Виконано математичне моделювання теплопередачі у виріб, що дозволило визначити закономірності впливу технологічних параметрів на мікроструктуру матеріалу. Отримані результати дозволяють прогнозувати оптимальні режими наплавлення. Розділ 3 присвячено експериментальному дослідженню структурних та механічних властивостей шаруватих матеріалів. Виконано аналіз зразків, отриманих методом багатошарового плазмового наплавлення. Досліджено структуру, твердість, корозійну стійкість та коефіцієнт тертя наплавлених шарів. Проведено порівняльний аналіз різних комбінацій матеріалів, включаючи сталі 10Х18Н10Т та 06Х15Н60М15. Розділ 4 присвячено питанням охорони праці та безпеки при плазмовому наплавленні. Розглянуто основні ризики, пов’язані з роботою з плазмотронами, газовими балонами та високотемпературними процесами. Описано заходи для зменшення впливу шкідливих випарів, зменшення термічного навантаження на працівників та забезпечення безпечних умов праці.
URI:	https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/9075
Appears in Collections:	131 Прикладна механіка (Обробка металів за спецтехнологіями)

Files in This Item:

File	Description	Size	Format
Лесечко.pdf Restricted Access		1.88 MB	Adobe PDF	View/Open Request a copy

Show full item record

Extracted text

Міністерство освіти і науки України
Черкаський державний технологічний університет
Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування
Кафедра технології та обладнання машинобудівних виробництв

До захисту допущено:
Завідувач кафедри ТОМВ
____________Георгій КАНАШЕВИЧ
«_____»_____________2024р.

Пояснювальна записка
до кваліфікаційної роботи магістра

на тему: «Дослідження властивостей шаруватих матеріалів, отриманих
багатошаровим плазмовим наплавленням»

Виконав: здобувач 2 курсу, групи мНТ-32
Спеціальності 131 – «Прикладна механіка»
Освітня програма – «Обробка металів за
спецтехнологіями»
Лесечко Іван Володимирович
Керівник: к.т.н., доцент Коваленко Юрій Іванович
Рецензент: головний інженер ДП «Семпал»
м.Черкаси
Якушев Іван Володимирович

Черкаси 2024 р.
Черкаський державний технологічний університет
Факультет електронних технологій, автотранспорту та машинобудування
Кафедра технології та обладнання машинобудівних виробництв
Освітній рівень магістерський.
Спеціальність 131 «Прикладна механіка».
Освітня програма «Обробка металів за спецтехнологіями»

ЗАТВЕРДЖУЮ:
Завідувач кафедри ТОМВ
Георгій КАНАШЕВИЧ
« » ____________2024р.

ЗАВДАННЯ
на кваліфікаційну роботу магістра

_Лесечку Івану Володимировичу_
(прізвище, ім’я, по батькові)
1. Тема роботи «Дослідження властивостей шаруватих матеріалів, отриманих
багатошаровим плазмовим наплавленням».
Керівник роботи к.т.н., доцент Коваленко Юрій Іванович
(прізвище, ім’я, по батькові, науковий ступінь, вчене звання)
Затверджена наказом Черкаського державного технологічного університету від
«16» вересня 2024р. №272/04
2. Термін подання здобувачем роботи 26. 11. 2024 р.
3. Вихідні дані до роботи: Технологія плазмового напилення; Технологічні
особливості взаємодії плазмового потоку з матеріалом виробу; Завдання з
розділу охорони праці
4. Зміст пояснювальної записки: Шаруваті матеріали і методи їх отримання;
Способи отримання шаруватих матеріалів, засновані на плавленні основного та
присадкового матеріалу; инамічна модель теплових процесів при плазмовому
наплавленні на струмі прямої та зворотної полярності; Дослідження структури
та властивостей шаруватих матеріалів; Отримання шаруватих матеріалів на
основі міді та мідних сплавів плазмовим наплавленням; Охорона праці та безпека
у надзвичайних ситуаціях.
5. Перелік графічного матеріал(з точним зазначенням обов’язкових
креслеників, плакатів, презентацій тощо Тема, мета, задачі; Основні техніко-
економічні характеристики джерел нагрівання; Графіки. Режими плазмового
наплавлення; Результати моделювання та наплавлення; Структура шару,
наплавленого на прямій та зворотній полярності струму; Режими
наплавлення. Поверхня міді після корозійних випробувань; Мікроструктура та
характерні зони наплавлення БрКМц3 та БрКМц9; Охорона праці та безпека у
НС; Висновки
6. Керівники з роботи із зазначенням розділів роботи, що їх стосується
Прізвище, ініціали та посада Підпис, дата
Розділ
консультанта завдання видав завдання прийняв
Розділ 1-3 Коваленко Юрій Іванович
Розділ 4 Цікановський Володимир Леонідович

7. Дата видачі завдання 16.09.2024 р.
Календарний план
№ Назва етапів дипломного Строк
Примітка
з/п роботи виконання етапів роботи
1 Збір інформації для написання КРМ 16.09 - 01.10.2024
2 Написання І розділу КРМ 02.10.- 15.10.2024
3 Написання ІІ розділу КРМ 16.10 – 24.10.2024
4 Написання ІІІ розділу КРМ 25.10 – 2.11.2024
5 Написання розділу з охорони праці 3.11 – 9.11.2024
6 Оформлення пояснювальної записки 10.11 – 30.11.2024
7 Оформлення графічної документації 26.11 – 04.12.2024
8 Захист роботи 22.01- 23.01.2025р.

Здобувач ___________ Іван ЛЕСЕЧКО
Підпис Власне ім’я, ПРІЗВИЩЕ

Керівник ___________ _Юрій КОВАЛЕНКО_
Підпис Власне ім’я, ПРІЗВИЩЕ

4

АНОТАЦІЯ
Тема кваліфікаційної роботи магістра: «Дослідження властивостей шаруватих
матеріалів, отриманих багатошаровим плазмовим наплавленням»
Виконавець: студент групи мНТ-32 Лесечко Іван Володимирович.
Керівник: к.т.н, доцент Коваленко Юрій Іванович.
Кваліфікаційна робота містить 91 сторінку формату А4, 30 рисунків, 9
таблиць, 87 літературних джерел.
Актуальність роботи: Сучасний розвиток машинобудування вимагає
використання матеріалів із високими експлуатаційними характеристиками, які
здатні витримувати підвищені механічні, термічні та хімічні навантаження.
Шаруваті матеріали, отримані методом багатошарового плазмового наплавлення,
дозволяють поєднувати властивості різних сплавів у межах одного виробу, що
значно розширює їхні можливості застосування.
Застосування таких матеріалів актуальне для авіаційної, космічної,
транспортної та енергетичної промисловості, де висуваються високі вимоги до
зносостійкості, корозійної стійкості та довговічності деталей. Водночас
залишається проблема оптимізації процесу плазмового наплавлення для отримання
стабільної структури, мінімізації дефектів та забезпечення рівномірного розподілу
механічних властивостей по всій товщині матеріалу.
Дослідження у цій роботі спрямовані на визначення впливу технологічних
параметрів багатошарового плазмового наплавлення на структуру, механічні
властивості та корозійну стійкість отриманих матеріалів. Результати можуть бути
використані для вдосконалення технологій наплавлення та розширення сфери
застосування шаруватих матеріалів у промисловості.
Структура роботи:
Розділ 1 присвячено аналізу сучасних методів отримання шаруватих
матеріалів. Розглянуто основні методи з’єднання та наплавлення металів,
включаючи дифузійне зварювання, зварювання вибухом, лазерне та електронно-
променеве наплавлення. Особливу увагу приділено методу плазмового
5

наплавлення, його перевагам, недолікам та основним параметрам, що впливають
на формування мікроструктури та експлуатаційних характеристик шаруватих
матеріалів.
Розділ 2 присвячено дослідженню теплових процесів при плазмовому
наплавленні. Розглянуто вплив струму прямої та зворотної полярності на процес
формування наплавленого шару. Виконано математичне моделювання
теплопередачі у виріб, що дозволило визначити закономірності впливу
технологічних параметрів на мікроструктуру матеріалу. Отримані результати
дозволяють прогнозувати оптимальні режими наплавлення.
Розділ 3 присвячено експериментальному дослідженню структурних та
механічних властивостей шаруватих матеріалів. Виконано аналіз зразків,
отриманих методом багатошарового плазмового наплавлення. Досліджено
структуру, твердість, корозійну стійкість та коефіцієнт тертя наплавлених шарів.
Проведено порівняльний аналіз різних комбінацій матеріалів, включаючи сталі
10Х18Н10Т та 06Х15Н60М15.
Розділ 4 присвячено питанням охорони праці та безпеки при плазмовому
наплавленні. Розглянуто основні ризики, пов’язані з роботою з плазмотронами,
газовими балонами та високотемпературними процесами. Описано заходи для
зменшення впливу шкідливих випарів, зменшення термічного навантаження на
працівників та забезпечення безпечних умов праці.

6

ABSTRACT
Master's Qualification Work Topic: «Investigation of the properties of layered
materials obtained by multilayer plasma cladding»
Performer: Student of group mNT-32, Ivan Lesechko.
Supervisor: Ph.D., Associate Professor Yurii Kovalenko.
The qualification thesis consists of 91 A4 pages, 30 figures, 9 tables, and 87 references.
Relevance of the Study
The modern development of mechanical engineering requires the use of materials
with high operational characteristics capable of withstanding increased mechanical,
thermal, and chemical loads. Layered materials obtained through multi-layer plasma
cladding allow combining the properties of different alloys within a single product,
significantly expanding their application potential.
The use of such materials is relevant in the aviation, space, transport, and energy
industries, where high requirements for wear resistance, corrosion resistance, and
durability of parts are imposed. However, the issue of optimizing the plasma cladding
process remains critical to achieve a stable structure, minimize defects, and ensure a
uniform distribution of mechanical properties throughout the material's thickness.
This study aims to determine the influence of technological parameters of multi-
layer plasma cladding on the structure, mechanical properties, and corrosion resistance of
the resulting materials. The results can be used to improve cladding technologies and
expand the application of layered materials in industry.
Structure of the Work
Chapter 1 - Analysis of modern methods for obtaining layered materials. The main
methods of metal joining and cladding are considered, including diffusion welding,
explosion welding, laser, and electron beam cladding. Special attention is given to the
plasma cladding method, its advantages, disadvantages, and the key parameters
influencing the formation of the microstructure and operational characteristics of layered
materials.
7

Chapter 2 is devoted to the study of thermal processes during plasma cladding. The
influence of direct and reverse polarity current on the formation of the cladded layer is
examined. Mathematical modeling of heat transfer in the workpiece was performed,
allowing the identification of patterns of technological parameters' impact on the
material's microstructure. The obtained results make it possible to predict optimal
cladding modes.
Chapter 3 focuses on experimental research into the structural and mechanical
properties of layered materials. The analysis of samples obtained by multi-layer plasma
cladding was conducted. The structure, hardness, corrosion resistance, and friction
coefficient of the cladded layers were studied. A comparative analysis of different
material combinations, including 10Х18Н10Т and 06Х15Н60М15 steels, was carried
out.
Chapter 4 is dedicated to occupational safety and hazard prevention in plasma
cladding. The main risks associated with working with plasma torches, gas cylinders, and
high-temperature processes were analyzed. Measures to reduce the impact of harmful
vapors, minimize thermal loads on workers, and ensure safe working conditions were
described.

8

Зміст
Вступ ............................................................................................................................... 10
РОЗДІЛ 1 .................................................................................................................... 14
1.1 Шаруваті матеріали і методи їх отримання ...................................................... 14
1.2 Методи отримання шарових матеріалів ........................................................... 15
1.2.1 Способи одержання шаруватих матеріалів зварюванням тиском З'єднання
матеріалів дифузійним зварюванням .......................................................................... 16
1.2.2 Способи отримання шаруватих матеріалів, засновані на плавленні
основного та присадкового матеріалу ......................................................................... 17
Розділ 2. Динамічна модель теплових процесів при плазмовому наплавленні на
струмі прямої та зворотної полярності. ...................................................................... 31
2.1. Вплив полярності струму дуги та параметрів процесу плазмового
наплавлення на теплопередачу у виріб ....................................................................... 32
2.2 Аналіз та верифікація результатів моделювання ......................................... 38
2.3 Дослідження структури та властивостей шаруватих матеріалів ............... 41
2.3.1 Багатошарове плазмове наплавлення однорідних матеріалів на основі
сталі 10Х18Н10Т ........................................................................................................... 41
2.3.2 Багатошарове плазмове наплавлення шаруватого матеріалу на основі
сталі 10Х18Н10Т і сплаву 06Х15Н60М15 .................................................................. 47
2.3.3 Дослідження корозійної стійкості шаруватих матеріалів на основі сталі
10Х18Н10Т і сплаву 06Х15Н60М15 ............................................................................ 49
Висновок до розділу 2............................................................................................... 52
Розділ 3 ........................................................................................................................... 54
3.1 Отримання шаруватих матеріалів на основі міді та мідних сплавів плазмовим
наплавленням ................................................................................................................. 54
3.2 Порівняння корозійної стійкості шаруватих матеріалів на основі міді та
композитного мідного сплаву, отриманих методом плазмового наплавлення ...... 58
3.3. Дослідження структури та властивостей при плазмовому наплавленні
бронз БрКМц3-1 та БрАМц9-2 на сталь 38Х2Н2МА ................................................ 61
3.4. Дослідження коефіцієнта тертя робочої поверхні, виконаної з бронз
БрКМц3-1 та БрАМц9-2 плазмовим наплавленням на струмі зворотної полярності
65
9

Висновок до розділу 3............................................................................................... 67
Розділ 4 Охорона праці та безпека в НС ................................................................. 69
4.1 Вимоги охорони праці під час плазмового наплавлення ................................ 69
4.2 Вимоги безпеки до процесів при ручному дуговому зварюванні .................. 73
4.3 Вимоги безпеки до процесів зварювання у вуглекислому газі і сумішах газів
......................................................................................................................................... 73
4.4 Вимоги безпеки до процесів зварювання під час роботи з вуглекислим газом
......................................................................................................................................... 74
4.5 Вимоги безпеки до процесів зварювання в інертних газах ............................ 75
4.6 Вимоги безпеки до процесів зварювання на поточно-механізованих і
конвеєрних лініях .......................................................................................................... 76
4.7 Вимоги до робочих місць ................................................................................... 77
Загальні висновки ...................................................................................................... 82
Список використаної літератури ................................................................................. 84

10

Вступ
Сучасний етап науково-технічного прогресу характерний підвищеними
вимогами до умов експлуатації машин, енергетичного та металургійного
обладнання, розширенням діапазону температур, динамічних навантажень,
агресивних середовищ [1].
Розвиток машинобудівної галузі пов'язаний з розробкою нових матеріалів,
впровадженням інноваційних технологій та обладнання. Отримання шаруватих
матеріалів з регульованою макро- і мікроструктурою дозволяє формувати
необхідні фізико-механічні властивості з урахуванням умов експлуатації [2].
Шаруватий матеріал – це конструкційний матеріал, у якому компоненти, що
входять до його складу (сталі, сплави), нанесені у вигляді шарів. Може бути як
однорідного складу, так і різнорідного з шарами різного складу, що чергуються.
В процесі експлуатації найчастіше працездатність виробу залежить від стану
поверхневого шару. На сьогодні у світі активно розвиваються і впроваджуються
технології нанесення функціональних покриттів і відновлення виробів [3].
Застосування шаруватих матеріалів при виготовленні виробів, що працюють у
складних умовах, дозволяє збільшити не тільки експлуатаційний термін служби,
але й економити дорогоцінні метали. Тому комплексний підхід, що включає
багатофакторний вплив на фазо- і структуроутворення в металевих системах із
застосуванням сучасного обладнання, має особливу актуальність [4,5,6].
Необхідність отримання біметалевих матеріалів виникає при виготовленні
найрізноманітніших виробів: посудин хімічного машинобудування, авіаційної
промисловості, в будівельній індустрії, в електротехніці та приладобудуванні, при
виготовленні товарів широкого вжитку.
Одним з методів отримання шаруватих матеріалів з градієнтними
властивостями є наплавлення. При наплавленні різнорідних матеріалів прагнуть
знизити частку участі основного матеріалу в наплавленому шарі. Маса металу, що
наплавляється, при цьому становить 2 - 6% маси самої деталі в цілому, проте
працездатність такої деталі збільшується в рази. Широке використання біметалевих
11

конструкцій, отриманих методом наплавлення, пояснюється не тільки
технологічними перевагами, але й економічними [5,6].
Оскільки при наплавленні різнорідних сталей і сплавів у зоні сплавлення
неминуче утворюється перехідний шар з малопластичними структурами, для
отримання необхідних властивостей шаруватого матеріалу необхідно
застосовувати спосіб наплавлення, який дозволяє нейтралізувати шкідливий вплив
цього шару. Одним із способів нейтралізації шкідливого впливу перехідної зони є
зменшення її розмірів до мінімуму. Тому необхідно застосовувати відповідний
спосіб і режими наплавлення, що забезпечують мінімальне проплавлення
основного матеріалу і збільшують рухливість металу зварювальної ванни біля її
меж [7].
На сьогодні в промисловості широке застосування знайшли методи
наплавлення, засновані на плавленні основного і присадного металу [1-6]. Кожен з
цих методів має свої переваги та недоліки. Застосування плазмових технологій,
завдяки своїм перевагам, дозволяє вирішити ряд проблем, пов'язаних з
наплавленням різнорідних матеріалів. На сьогодні плазмові процеси знаходять
широке практичне застосування в різних галузях сучасної науки і техніки, зокрема,
в нових технологіях хімічного виробництва, а також аеродинамічних і космічних
експериментальних дослідженнях. На відміну від вільної дуги, що має форму
конуса з розширюваним перетином у бік виробу, стиснута дуга має циліндричну
форму. При цьому зміна довжини дуги в досить широких межах не позначається на
глибині проплавлення [7].
На сьогоднішній день, за обсягом застосування у виробництві, помітно
зростають темпи впровадження плазмових технологій завдяки ряду переваг.
Провідні фахівці вважають розвиток плазмових технологій одним з пріоритетних
напрямків вдосконалення зварювальних процесів [6]. Плазмове обладнання за
вартістю, складністю виготовлення та експлуатації цілком можна порівняти з
електродуговим. Тепловий і силовий вплив у зоні обробки легко піддається
управлінню. Як присадний матеріал може використовуватися дріт, порошки та їх
12

комбінації. Ефект катодного очищення при використанні струму зворотної
полярності присадного матеріалу і поверхні, що наплавляється, забезпечує
відсутність забруднень металу, пористості та інших дефектів, покращується
змочуваність, підвищується розтікання металу, що наплавляється [8].
На сучасному етапі промислової конкуренції основним напрямком
вдосконалення виробництва є модернізація відомих і створення нових
технологічних процесів. Останнім часом широка увага приділяється розвитку
адитивних технологій або, інакше, технологій пошарового синтезу – це створення
комп'ютерної моделі майбутньої деталі та отримання самого виробу шляхом
пошарового додавання матеріалу на спеціальному обладнанні з використанням
різних методів [5]. Подібні технології дозволяють реалізувати основні принципи
створення матеріалів нового покоління і являють собою інноваційний підхід до
проектування і виготовлення.
Створення нових матеріалів і вдосконалення технологій отримання готових
виробів дає великий поштовх до розвитку адитивного виробництва і виготовлення
деталей з недосяжними раніше експлуатаційними властивостями при зниженні
матеріальних витрат на виробництво.
Виходячи з вищесказаного, метою роботи є виявлення закономірностей
впливу полярності струму на формування структури і властивостей шаруватих
матеріалів при плазмовому наплавленні.
Предмет дослідження – закономірності впливу режимів плазмового
наплавлення, зокрема полярності струму, на структуру, фізико-механічні
властивості та корозійну стійкість отриманих шаруватих матеріалів.
Об’єкт дослідження – процес багатошарового плазмового наплавлення для
формування шаруватих матеріалів на основі високолегованих сталей і кольорових
сплавів.
Для досягнення заданої мети поставлені наступні завдання роботи:
13

1. Визначити закономірності та уточнити особливості теплопередачі у виріб
від плазмового потоку та від анодної і катодної області дуги при плазмовій обробці
на струмі прямої і зворотної полярності;
2. Розробити уточнену теплову модель теплопередачі у виріб при роботі
плазмотрона на зворотній полярності струму з урахуванням локального впливу
катодних плям;
3. Виконати порівняльні дослідження формування структури і властивостей
однорідних і різнорідних шаруватих матеріалів при плазмовому наплавленні на
струмі прямої і зворотної полярності;
4. Розробити технологічні рекомендації створення шаруватих матеріалів з
високолегованих сталей і сплавів кольорових металів плазмовим наплавленням.

14

РОЗДІЛ 1
1.1 Шаруваті матеріали і методи їх отримання
Розробка нових сучасних виробів відповідального призначення в галузі
машино-, літако-, ракето-, суднобудування та в інших галузях промислового
виробництва неможлива без застосування матеріалів, що мають високий рівень
міцнісних властивостей, надійності, довговічності та інших спеціальних
властивостей. Ефективна робота деталей машин і елементів конструкцій
визначається широким комплексом властивостей використовуваних матеріалів, у
тому числі показниками пластичності, ударної в'язкості, тріщиностійкості,
корозійної стійкості [8]. У багатьох вітчизняних і зарубіжних лабораторіях
тривалий час проводяться дослідження, метою яких є розробка нових матеріалів,
що мають необхідний комплекс технологічних властивостей. Металеві шаруваті
матеріали на основі високолегованих сталей і сплавів можуть бути отримані
різними способами [9]. Технології, засновані на дифузії, пластичній деформації,
високошвидкісному зіткненні, плавленні основного і присадного матеріалу, що
використовуються для виробництва шаруватих матеріалів на металевій основі,
успішно зарекомендували себе в різних галузях промислового виробництва [10,11].
У літературному огляді розглядаються особливості процесів формування
шаруватих матеріалів, а також їх подальшого застосування. Певна температура і
іноді тиск, необхідні і достатні умови для наплавлення однорідних матеріалів, при
зварюванні різнорідних матеріалів також необхідні, але ще недостатні. В цьому
випадку матеріали мають різні фізико-хімічні властивості, і вони визначатимуться
характеристиками нового матеріалу, який утворився в зоні з'єднання в результаті
процесів, що відбулися. Тому основна мета при наплавленні різнорідних матеріалів
полягає в спрямованому регулюванні цих процесів [12].
Про характер фізико-хімічної взаємодії між двома матеріалами можна судити
за відповідними діаграмами стану. Ці діаграми побудовані для рівноважних умов і
відповідають стабільному стану, тим часом процес наплавлення метастабільний.
15

Цю обставину необхідно враховувати при користуванні діаграмами стану, за
допомогою яких можна представити тільки першу наближену схему процесу [13].
У прикордонних шарах хімічний склад твердого розчину внаслідок дифузії,
що продовжується, буде дещо відрізнятися від його складу в середній зоні. Якість
отримуваного шару визначатиметься повнотою протікання дифузії металів, що
з'єднуються, тобто якістю отриманого твердого розчину на межі зіткнення [14].
Дещо інша картина спостерігається при наплавленні різнорідних металів.
Визначальну роль тут має процес змочування — його тривалість і температурні
умови. При короткочасному змочуванні в принципі можливе отримання якісного
з'єднання. При тривалому змочуванні протікають супутні процеси — розчинення і
взаємна дифузія металів, що з'єднуються, які не чинять шкідливої дії. Також склад
і структура залежить від співвідношення металів, що розплавляються, характеру
перемішування і швидкості охолодження рідкого металу. Матеріали, що
зварюються, часто утворюють тверді розчини з обмеженою розчинністю. Як
відомо, можливі два випадки обмеженої розчинності компонентів у твердому стані:
з утворенням евтектики і з утворенням перитектики [15].
1.2 Методи отримання шарових матеріалів
Факторами, що значною мірою визначають вимоги до шаруватих матеріалів,
що розробляються, є умови їх експлуатації. Не менш важливими вважаються
економічні та екологічні проблеми виробництва матеріалів і виробів з них. Таким
чином, особливу увагу необхідно приділяти якості вихідних компонентів, а також
вибору оптимальних технологічних процесів, що використовуються при
виробництві матеріалів.
Розробка багатошарових матеріалів на металевій основі активно
здійснювалася протягом останніх шістдесяти років. За цей час було накопичено
великий обсяг експериментальних даних, який може бути різним чином
класифікований. Класифікація заснована на особливостях агрегатного стану
граничних шарів матеріалів, що з'єднуються [16]:
16

1. З'єднання типу "тверде з твердим" (з'єднання формується під впливом
високого тиску, обидва компоненти знаходяться в твердому агрегатному стані).
2. З'єднання типу "тверде з рідким" (з'єднання утворюється при плавленні
одного з компонентів, при цьому інший компонент знаходиться в твердофазному
стані).
3. З'єднання типу "рідке з рідким" (у приграничній області заготовки, що
з'єднуються, знаходяться в стані розплаву, що сприяє активному перемішуванню
компонентів).
Іншої точки зору дотримуються [16]. Всі способи отримання багатошарових
металевих матеріалів вони пропонують розділити на дві основні групи. До першої
групи відносять технології, засновані на використанні пластичної деформації в
процесі з'єднання заготовок (прокатка, пресування, волочіння). Другу групу
складають технології, при реалізації яких пластична деформація не потрібна
(паяння, лиття, зварювання плавленням, наплавлення) [14,15].
У вітчизняній і зарубіжній практиці при виробництві шаруватих металевих
матеріалів застосовують цілий ряд технологічних процесів. Конкретний вибір
технології визначається областю раціонального використання [16].
Створення металевих шаруватих матеріалів з особливими властивостями
дозволяє вирішувати багато складних завдань, що виникають при розробці і
виробництві сучасних виробів. Металеві шаруваті матеріали можуть бути
застосовані практично в будь-якій галузі машинобудування. Однак на
сьогоднішній день у зв'язку з високою вартістю виробництва шаруватих матеріалів
їх використання обмежується виробами відповідального призначення [16-19].
1.2.1 Способи одержання шаруватих матеріалів зварюванням тиском
З'єднання матеріалів дифузійним зварюванням
Спосіб дифузійного з'єднання матеріалів у вакуумі та захисних газових
середовищах набув широкого поширення в промисловому виробництві.
Процес дифузійного зварювання визначають як «отримання монолітного
з'єднання з утворенням металевих зв'язків унаслідок локальної пластичної
17

деформації за підвищеної температури, максимального зближення поверхонь і
взаємної дифузії в поверхневих шарах контактуючих матеріалів» [20–25].
Головною перевагою цієї технології є можливість здійснювати з'єднання
різнорідних матеріалів без використання припоїв, флюсів і дорогих електродів [21–
25].
Отримання шаруватих матеріалів за технологією зварювання
прокаткою
Широкого поширення набула технологія зварювання прокаткою [26–28]. Цей
процес використовується для отримання біметалів із різнорідних сталей і сплавів.
Утворення нероз'ємних з'єднань за технологією зварювання прокаткою
відбувається в умовах примусового деформування при короткій тривалості
взаємодії контактуючих поверхонь [29, 30].
Зварювання вибухом
Отримання нероз'ємних з'єднань із використанням енергії, що виділяється під
час детонації заряду вибухової речовини, є ефективним технологічним процесом
[30–32].
Відносна простота процесу, можливість отримувати з'єднання з високою
міцністю практично будь-яких металів і сплавів на необмежених за розміром
плоских і криволінійних поверхнях, а також можливість проводити роботи без
значних капітальних витрат із використанням найпростішого обладнання
забезпечили швидкий розвиток і широке поширення технології зварювання
вибухом [33].
Перспективним напрямом використання технології зварювання вибухом є
створення багатошарових матеріалів із заданими характеристиками [34].
1.2.2 Способи отримання шаруватих матеріалів, засновані на плавленні
основного та присадкового матеріалу
Наразі розроблено й широко застосовуються в промисловості різні способи
наплавлення металів.
18

Під час наплавлення однорідних металів із використанням дротів і флюсів
відповідного складу вдається отримати наплавлений метал, який за складом
аналогічний основному металу, а отже, і властивості з'єднання, подібні до
властивостей основного металу. У цьому випадку спосіб наплавлення практично
не впливає на властивості з'єднання. Тому під час наплавлення намагаються
застосовувати такі способи, які, забезпечуючи якість з'єднання, водночас
забезпечують максимальну продуктивність та ефективність процесу. До таких
способів належать автоматичне наплавлення під шаром флюсу електродним
дротом і стрічковим електродом, наплавлення в середовищі захисних газів тощо
[55–58].
Коли виникає необхідність наплавлення на виріб металів, які за хімічним
складом і теплофізичними властивостями відрізняються від основного металу,
завдання отримання якісного з'єднання ускладнюється. Це зумовлено тим, що при
з'єднанні різнорідних металів унаслідок перемішування основного і наплавленого
металів, розчинення твердого основного металу в рідкому металі зварювальної
ванни та дифузійних процесів на межфазній границі до наплавленого металу
переходить значна частка основного металу [56]. Наприклад, під час ручного
електродугового наплавлення та автоматичного наплавлення електродним дротом
під шаром флюсу міді й бронз на сталь до першого шару наплавленого металу
переходить до 50–60% заліза. Очевидно, таке високе вміст основного металу в
наплавленому металі, як правило, є неприпустимим, тому наплавлення доводиться
виконувати у 4–6 і більше шарів для забезпечення необхідної чистоти наплавленого
шару. Це значно здорожчує наплавлені вироби і, як правило, не забезпечує
необхідних їхніх властивостей (особливо у випадках, коли до виробу висуваються
високі вимоги не лише щодо чистоти зовнішнього наплавленого шару, а й щодо
механічних властивостей як наплавленого металу, так і з'єднання наплавленого
металу з основним металом).
Справа в тому, що при з'єднанні різнорідних металів між наплавленим
металом і основним металом часто утворюються різні дифузійні й кристалізаційні
19

прошарки, завжди наявна більш чи менш розвинена зона змінного складу, тобто
наявна значна структурна й хімічна неоднорідність, яка призводить до суттєвого
зниження міцності й пластичності зони сплавлення наплавленого металу з
основним металом [56, 57].
Зміна складу дроту чи застосування різних флюсів для наплавлення не
забезпечує і не може повністю забезпечити досягнення всіх механічних
властивостей з'єднання на рівні властивостей основних металів, що з'єднуються,
оскільки основною причиною зниження властивостей залишається розплавлення
основного металу. Завдання з'єднання різнорідних металів із забезпеченням
необхідних фізико-хімічних властивостей наплавленого металу й усього з'єднання
в цілому може бути вирішене технологічно шляхом застосування таких способів,
при яких основний метал або зовсім не розплавляється, або забезпечується його
мінімальне проплавлення. Тому для з'єднання різнорідних металів слід
застосовувати лише такі способи, які забезпечують мінімальне проплавлення
основного металу, незначне перемішування основного й наплавленого металів та
мінімальний перехід елементів основного металу до наплавленого металу. Лише за
цих умов можна забезпечити оптимальні фізико-хімічні й механічні властивості
наплавленого металу та з'єднання наплавленого металу з основним металом, а
отже, гарантувати високу надійність і працездатність виробу в цілому [56–58].
Цю задачу найпростіше вирішити в тому разі, якщо для наплавлення
застосовувати джерела теплоти, які дають змогу окремо регулювати плавлення
присадочного матеріалу та нагрівання основного металу, а також керувати
процесами взаємодії рідкого металу зварювальної ванни з твердим основним
металом. Дослідження в цьому напрямку привели до створення цілого ряду нових
способів зварювання та наплавлення металів [58].
Газове наплавлення
Газове наплавлення – спосіб зварювання плавленням із частковим
проплавленням основного металу, яке здійснюється за допомогою
високотемпературного полум'я від суміші горючого газу з киснем.
20

Переваги: мінімальне проплавлення металу, можливість наплавлення
складних деталей, зниження ризику тріщин завдяки попередньому підігріву та
поступовому охолодженню, низька вартість обладнання.
Недоліки: низька продуктивність для масивних деталей, потреба у високій
кваліфікації зварювальника, відсутність автоматизації, потреба у флюсах для
легованих сталей і низька екологічність.
Дугове наплавлення покритими електродами
Ручне дугове наплавлення є доступним і недорогим, підходить для чорних і
кольорових металів. Недоліком є значний перехід основного металу в перший шар
наплавлення (50–60%).
Дугове наплавлення під флюсом
Цей метод забезпечує високу продуктивність для великих площин. Переваги:
простота виконання, якісний валик, комфортні умови праці. Недоліки: висока
вартість обладнання, непристосованість для складних форм і тонкостінних деталей.
Наплавлення відкритою дугою
Використовується суцільний або порошковий дріт без захисного газу.
Переваги: простота технології, можливість польових робіт. Недоліки: велике
проплавлення основного металу, висока вартість порошкового дроту.
Наплавлення в середовищі захисного газу
Захист дуги аргоном чи гелієм забезпечує високу якість наплавлення,
особливо для кольорових металів і сталей. Недоліки: значний витрата газу,
обмежена теплова потужність дуги.
Електрошлакове наплавлення
Метод економічний для товстих шарів, дозволяє наплавляти чутливі до
тріщин матеріали. Недоліки: висока енергоємність, непридатність для малих
деталей.
Наплавлення заливкою рідкого металу
21

Метод В.П. Нікітіна, який відокремлює процеси плавлення основного і
присадочного металу, не отримав промислового застосування через складність
реалізації.
Наплавлення висококонцентрованими джерелами енергії
Основною відмінною особливістю методів наплавлення з використанням
висококонцентрованих джерел нагрівання є здатність забезпечувати швидкості
нагрівання та охолодження матеріалів, які значно перевищують показники,
характерні для традиційних методів.
У численних дослідженнях встановлено, що швидкість нагрівання та
охолодження поверхневого шару металу, структура й властивості наплавлених
шарів визначаються насамперед ступенем локалізації введення тепла в
оброблюваний виріб (у зону нагрівання) [8, 36].
Цей фактор впливає на такі важливі практичні показники, як:
- величина залишкових напружень і деформацій;
- потреба у використанні додаткових охолоджувальних середовищ;
- продуктивність обробки;
- техніко-економічні показники.
У загальному випадку порядок величини швидкості охолодження (°С/с)
практично відповідає величині концентрації теплової потужності джерела (Вт/см²).
Основні техніко-економічні характеристики локальних джерел нагрівання
для поверхневого зміцнення наведені в таблиці 1.1 [66–68].
Таблиця 1.1 – Основні техніко-економічні характеристики джерел
нагрівання.
Густина Ефективний
Потужність, Вт потужност ККД
Джерело нагрівання
і, Вт/см2
нагрівання

min max min max
Газове полум'я 102
104 2 2
2·10 6·10 0,55
Електрична дуга 50 2·105
5·102 4
4·10 0,75
Стиснута дуга 102 5 2 6
10 5·10 10 0,80
Плазмовий 103
105
5·102
105
0,80
струмінь
22

Променеві джерела:
іонний 10 103
102
105
0,85
електронний 10 105
5·102
107
0,85
лазерний 10 2,5·104
102
1010 0,05
Сонячні нагрівачі
102 105 102 2∙103
0,75
Застосування методу лазерного наплавлення є ефективним рішенням
порівняно з іншими методами отримання покриттів. Технологія лазерного
наплавлення має такі переваги:
- можливість обробки виробів складної форми;
- широкий діапазон технологічних параметрів режиму лазерного наплавлення та
хімічного складу для забезпечення якісного шару;
- короткочасний термічний вплив;
- висока міцність зчеплення основного металу з покриттям;
- мінімальна пористість отриманих покриттів;
- мінімальний термічний вплив на підкладку, що гарантує відсутність деформацій
і структурних змін [67, 68].
Метод лазерного наплавлення полягає в імпульсному тепловому впливі
лазерного променя на оброблювану поверхню. На відміну від інших джерел тепла,
лазерний промінь дозволяє керувати температурним полем у поверхневому шарі
виробу. Енергія лазерного променя витрачається на нагрів лише невеликого об’єму
металу, що дає змогу обробляти прецизійні деталі без ризику їхнього короблення.
Однією з основних особливостей лазерного наплавлення є можливість зміни
ефективної потужності джерела нагрівання в широких межах при певній
потужності лазерного променя. Зміна густини потужності променя дозволяє
оптимізувати температурно-часовий цикл нагріву поверхневого шару та
забезпечити більш однорідний нагрів поверхні деталі. Це сприяє зменшенню
частки основного металу в наплавленому шарі, зниженню необхідної енергії
джерела нагрівання та зменшенню загального нагріву оброблюваного виробу.
Підвищення густини потужності випромінювання значно збільшує
температуру в зоні впливу променя, що дозволяє наносити покриття з тугоплавких
23

металів. Для отримання локальних покриттів на деталях складної форми
застосовують сканування лазерного променя, що забезпечує [69–71]:
- гнучке керування розмірами та формою зони впливу випромінювання;
- високу однорідність складу наплавленого шару.
Плазмове напилення
Технологія плазмового напилення покриттів (зазвичай товщиною не більше
1 мм) здійснюється за допомогою дугових плазмотронів [72–73]. Як правило,
використовуються порошкові матеріали з розміром частинок від 20 до 50 мкм. У
процесі напилення частинки порошку, які вводяться в плазмовий струмінь,
нагріваються до температур, близьких до їхньої температури плавлення, і
прискорюються до швидкості близько 50–150 м/с. Покриття формується з окремих
частинок, які при ударі об поверхню підкладки сильно деформуються,
розтікаються та швидко кристалізуються [74].
Аргон використовується як плазмоутворювальний газ у процесі напилення
разом з іншими газами та забезпечує такі переваги [72–74]:
- високу стабільність роботи обладнання та підвищену довговічність елементів
плазмотрона;
- мінімальне нагрівання підкладки завдяки швидкому зниженню температури
вздовж плазмового струменя;
- високі швидкості аргонового плазмового струменя;
- знижений рівень шуму.
Напилення металевих покриттів із використанням плазмотронів з
фіксованою довжиною дуги в аргону та з потоком фокусуючого газу забезпечує
[75]:
- підвищений коефіцієнт використання порошку (65–70%);
- високу міцність зчеплення покриття з основою (30–60 МПа);
- мінімальну пористість покриття (4%);
- високу продуктивність напилення якісних покриттів (до 7,5–8 кг/год при
коефіцієнті використання порошку не менше 50%).
24

Плазмове наплавлення
Серед прогресивних технологій, які забезпечують підвищення надійності та
довговічності деталей машин, механізмів і обладнання, плазмове (плазмово-
дугове) наплавлення займає одне з провідних місць [76–78].
Плазмове наплавлення полягає у нанесенні покриття з розплавленого
присадкового порошкового або дротового матеріалу на металеву поверхню за
допомогою стиснутої дуги, що горить між електродом плазмотрона і виробом.
Основні цілі:
• створення нових деталей зі спеціальними зносо- та
корозійностійкими властивостями;
• відновлення розмірів зношених і бракованих деталей за рахунок
покриттів високої щільності та міцності.
Наплавлений метал підбирається залежно від умов експлуатації деталей,
властивостей основного та присадкового матеріалів, розмірів і конфігурації
виробів [76].
Основні характеристики
1. Продуктивність:
Реальні показники продуктивності, як правило, нижчі за наведені в
літературі, і часто не перевищують 2 кг/год для відповідальних деталей з
обмеженими поверхнями (наприклад, клапани, деталі арматури) [68–71].
2. Процес:
Може виконуватися в один або кілька шарів, з поперечними коливаннями
дуги або без них, на прямій або зворотній полярності. Аргон зазвичай
використовується як плазмоутворювальний, захисний і транспортуючий газ
[70].
3. Матеріали:
Для наплавлення використовуються різні типи матеріалів, класифіковані за
хімічним складом:
o Тип A: Відновлення розмірів деталей, створення підшару.
25

o Тип B: Наплавлення посадкових місць валів і колінчастих валів.
o Тип C: Деталі, які піддаються абразивному зносу в умовах ударних
навантажень.
o Тип D: Корозійностійкі сталі, мінімальний вміст вуглецю.
o Тип E: Хромисті сталі для деталей газових і нафтових трубопроводів.
o Тип F: Виробництво біметалевого ріжучого інструменту.
o Тип G: Укріплення деталей, які піддаються абразивному або
гідроабразивному зносу.
o Тип H, N, Qa, Qb, P: Сплави для спеціалізованих умов, наприклад, при
високих температурах і агресивних середовищах.
Переваги плазмового наплавлення
• Мінімальна доля основного металу в наплавленому;
• Стабільність і висока продуктивність процесу;
• Можливість створення якісного покриття в першому шарі;
• Зменшений припуск на механічну обробку;
• Висока автоматизація процесу;
• Тривалий термін служби вольфрамових електродів;
• Можливість регулювання параметрів наплавлення для
забезпечення необхідних властивостей.
Види плазмового наплавлення
1. Мікроплазмове наплавлення – струми до 100 А.
2. Стандартне плазмове наплавлення – струми від 100 до 300 А.
3. Високопотужне плазмове наплавлення – струми понад 300 А
[77].
Універсальність процесів плазмового наплавлення забезпечується великою
кількістю регульованих параметрів. Основні параметри режиму: полярність дуги,
сила струму, діаметр плазмоутворювального сопла, швидкість переміщення (в тому
числі швидкість і вид поперечних коливань), витрати плазмоутворювального газу,
відстань від зрізу сопла до виробу. Додаткові параметри: витрати захисного газу,
26

витрати транспортуючого газу, швидкість подачі або витрати присадкового
матеріалу, геометричні розміри і розташування робочих елементів плазмотрона
(електрода, плазмоутворювального і захисного сопел тощо), стан оброблюваного
виробу (температура, стан поверхні, положення в просторі, точність і жорсткість
закріплення), взаємне розташування плазмотрона, виробу і пристрою подачі
матеріалу, точність збереження всіх встановлених параметрів, включаючи точність
позиціонування плазмотрона в просторі. При наплавленні сплавів на основі нікелю
і кобальту велике значення має частка основного металу в наплавленому. При
глибокому проплавленні основного металу можливе суттєве зниження твердості.
Застосування наплавлення робочих поверхонь дозволяє підвищити їх
довговічність і зносостійкість за рахунок нанесення металу відповідного хімічного
складу і фізико-механічних властивостей.
Суть плазмового наплавлення полягає в розплавленні присадкового металу
струменем плазми і перенесенні його на основний метал. При цьому
розплавляється поверхневий шар основного металу і разом із розплавленим
присадковим матеріалом формує шар наплавленого металу.
Одним із важливих параметрів процесу наплавлення є глибина проплавлення
основного металу: чим менша глибина проплавлення, тим менша частка основного
металу в наплавленому. На глибині проплавлення знаходиться перехідна зона від
основного металу до наплавленого. Для деяких матеріалів ця зона вважається
найбільш небезпечною з точки зору руйнування металу. Метал перехідної зони стає
крихким через високу швидкість охолодження металу шва, має підвищену
схильність до утворення холодних тріщин через значну неоднорідність хімічного
складу металу і відповідно велику різницю коефіцієнтів лінійного розширення.
Звідси випливає, що чим більша глибина проплавлення, тим більша зона
ослабленої ділянки і тим нижча міцність деталі. І навпаки, чим менша глибина
проплавлення, тим у меншій мірі втрачається міцність деталі. На глибину
проплавлення основного металу і властивості перехідної зони впливають погонна
енергія процесу і відповідно швидкість охолодження.
27

Швидкість охолодження металу при наплавленні в основному визначається
погонною енергією процесу, хоча в певній мірі вона залежить від розмірів деталі,
властивостей основного металу, температури попереднього підігріву і розігріву
наплавленого металу в процесі наплавлення.
Вибір способу наплавлення залежить від матеріалів і конструкції виробу в
цілому. Для активних матеріалів (наприклад, алюмінієвих сплавів) доцільно
застосовувати плазмову дугу зворотної полярності і передбачати більш якісний
захист зони наплавлення, при наплавленні конструкційних сталей застосування
прямої полярності дуги, навпаки, більш виправдане. Також слід враховувати при
виборі способу наплавлення і теплофізичні властивості матеріалу.
Наплавлюваний виріб може бути включеним в електричне коло (наплавлення
плазмовою дугою) або бути нейтральним (наплавлення плазмовим струменем). У
останньому випадку дуга горить між неплавким електродом плазмотрона і
присадковим матеріалом (рис. 1.1). Поверхня основного металу нагрівається
струменем плазми і краплями присадкового металу.

Рис. 1.1. Схеми плазмового наплавлення з використанням одного присадкового
дроту: а – плазмовим струменем із токопровідним присадковим дротом; б –
плазмовою дугою з нейтральним присадковим дротом; в – подвійною дугою. ( 1 –
захисне сопло; 2 – плазмоутворювальне сопло; 3 – захисний газ; 4 –
плазмоутворювальний газ; 5 – електрод; 6 – джерело живлення непрямої дуги; 7 –
дріт; 8 – виріб; 9 – джерело живлення дуги прямої дії.)
Для наплавлення дротом особливо ефективним є комбіноване підключення
плазмотрона, при якому в системі "плазмотрон-дріт-виріб" одночасно горять дві
дуги — прямої та непрямої дії. Перша забезпечує плавлення основного металу,
друга — плавлення присадкового дроту.
28

За видом присадкового матеріалу відомі способи плазмового наплавлення
можна розділити на три основні групи:
1. Наплавлення дротом або прутками;
2. Наплавлення на нерухому присадку, укладену або якимось чином
закріплену на наплавлюваній поверхні;
3. Наплавлення порошком.
Вид присадкового матеріалу визначає технологічні можливості способу
наплавлення, конструктивні особливості обладнання для наплавлення, зокрема
конструкцію плазмотрона та схему його підключення до електричного кола тощо.
Тому надалі способи плазмового наплавлення розглядаються саме за видом
присадкового матеріалу.
У переважній більшості випадків плазмове наплавлення виконується
механізованим способом. Часто процес наплавлення повністю автоматизовано [82].
Виходячи з наведеного, вибір обладнання для наплавлення, режимів і технології
має здійснюватися з урахуванням забезпечення мінімальної глибини проплавлення
основного металу [78–80].
Вибір режимів наплавлення залежить від товщини наплавленого шару. Вибір
наплавлювальних матеріалів здійснюється відповідно до вимог до металу
тертьових поверхонь залежно від виду зношування. Наприклад, для умов
абразивного зношування потрібна висока твердість наплавленого металу, яка
досягається використанням наплавлювальних матеріалів із підвищеним вмістом
вуглецю, хрому, марганцю, вольфраму. Для умов корозійного зношування
стійкість забезпечується легуванням металу хромом у кількості понад 12%
(нержавіючі сталі) [81].
Як наплавлювальний матеріал можуть використовуватися не тільки дроти та
порошки металів, але й неметали (керамічний порошок). Це дозволяє наносити
кераміку на метали, досягаючи потрібної якості виробу та вирішуючи актуальні
завдання підвищення довговічності деталей і вузлів машин [78].
29

Застосування плазмової дуги прямої дії дозволяє не лише здійснювати
наплавлення матеріалу з необхідними властивостями, але й проводити поверхневу
термічну обробку основного матеріалу деталі, збільшуючи геометричні
характеристики зміцненого шару.
При плазмовому наплавленні широко застосовується стиснута дуга прямої
полярності, але може використовуватися також стиснута дуга зворотної полярності
та дуга змінного струму. Плазмотрони для наплавлення на зворотній полярності
зазвичай мають мідний водоохолоджуваний електрод-анод; для роботи на
змінному струмі можуть використовуватися плазмотрони із вольфрамовим
стрижневим електродом, однак його зносостійкість на змінному струмі нижча, ніж
на постійному струмі прямої полярності [83].
У літературі звертається увага на те, що наплавлення необхідно виконувати з
мінімально можливою погонною енергією, щоб зменшити протяжність
розущільнених або загартованих ділянок у зоні термічного впливу [83]. Крім того,
збільшення часу контакту рідкого наплавлювального металу з основним негативно
впливає на склад, структуру та властивості наплавленого шару. Наприклад, при
наплавленні кобальтового сплаву [80–81] різко зростає концентрація заліза в
наплавленому шарі.
Щоб уникнути утворення тріщин, у ряді випадків може застосовуватися
значний попередній підігрів [78], проте тепловкладення безпосередньо в процесі
наплавлення має бути мінімальним.
Особливості впливу на метал стиснутої дуги при наплавленні
Наплавлення на зворотній полярності («мінус» на оброблюваному виробі)
зазвичай застосовується у випадках, коли наплавлюваний або основний матеріал
містить значну кількість алюмінію (алюміній та його сплави, алюмінієві бронзи
тощо). Під час зварювання, а також у ряді випадків при наплавленні, для видалення
тугоплавкої оксидної плівки використовують вільну дугу змінного струму з
неплавким (вольфрамовим) електродом. Доцільно порівняти ці два альтернативні
варіанти, які мають практичне значення [77–81].
30

Внаслідок різного характеру теплопередачі від дуги до оброблюваного
виробу можна очікувати, що плазмова обробка поверхні металу стиснутою дугою
зворотної полярності повинна характеризуватися більш рівномірним
температурним полем у металі завдяки підігріву периферійних ділянок активного
плями дуги конвективними потоками [80].
Результати досліджень показують, що використання при плазмовому
наплавленні стиснутої дуги зворотної полярності може забезпечити додаткові
переваги [73–75]:
- постійне катодне очищення поверхні наплавлюваної деталі сприяє
високоякісному сплавленню нанесеного шару з основним матеріалом (у тому числі
таким, що містить алюміній);
- більш рівномірний нагрів поверхні зменшує проплавлення основи та
знижує розбавлення наплавлюваного металу основним;
- значна частка конвективної складової в тепловому балансі стиснутої
дуги зворотної полярності сприяє інтенсивнішому та рівномірному прогріванню
наплавлюваного порошку в дузі, підвищуючи продуктивність і знижуючи втрати
порошку.

31

Розділ 2. Динамічна модель теплових процесів при плазмовому
наплавленні на струмі прямої та зворотної полярності.
Сучасний розвиток методів математичного моделювання спричиняє широке
використання комп’ютерних технологій на етапі підготовки машинобудівного
виробництва. Застосування моделювання дозволяє здійснювати попередній вибір
технологічних параметрів процесу наплавлення та значно скорочувати витрати на
розробку технології.
Плазмове наплавлення є складним процесом, що є результатом спільної дії
багатьох факторів, обумовлених впливом на матеріали, що зварюються,
концентрованого джерела енергії – плазмової дуги. Плавлення присадкового дроту,
перемішування розплаву та подальше розтікання по наплавлюваній поверхні
потребують у загальному випадку спільного розв’язання теплової та
гідродинамічної задач у тривимірній постановці. При цьому важливо враховувати
фазові перетворення, зміну коефіцієнта поверхневого натягу залежно від
температури. Детальне моделювання процесу часто призводить до
необґрунтованих витрат числових ресурсів, що актуалізує пошук спрощених
підходів, заснованих на розв’язанні тільки теплової задачі [81].
Для розв’язання задач теплопровідності використовують аналітичні та
числові методи. Існуючі аналітичні методи дозволяють отримувати розв’язки
тільки для процесів, які описуються лінійними диференціальними рівняннями за
лінійних граничних умов, тобто в тих випадках, коли теплофізичні властивості
можна вважати незалежними від температури.
Аналітичні методи дозволяють отримувати загальні рівняння процесів, які
дійсні для різноманітних числових значень параметрів, що характеризують цю
задачу: геометричних розмірів, теплових характеристик режиму нагріву та
фізичних властивостей металу. У найпростіших задачах вдається отримати
розв’язок у замкнутій формі, тобто виразити рівняння процесу через відомі функції
від часу, просторових координат та постійних параметрів процесу. У складніших
32

задачах розв’язки описуються певними інтегралами або нескінченними рядами
[68–00].
Числові методи, на відміну від аналітичних, дозволяють розв’язувати задачу
теплопровідності у складній постановці, тобто з урахуванням реальної геометрії
конструкції, температурної залежності теплофізичних властивостей,
розподіленості джерела нагріву тощо, що робить їх єдино можливим розв’язанням
у моделюванні процесу наплавлення.
На сьогодні найбільш універсальним і поширеним у комерційних пакетах
прикладного програмного забезпечення є метод кінцевих елементів (МКЕ, або
FEM). Сучасні програмні продукти, такі як ANSYS та COMSOL, надають широкі
можливості для розв’язання задач тепломасопереносу при зварюванні [51].
2.1. Вплив полярності струму дуги та параметрів процесу плазмового
наплавлення на теплопередачу у виріб
Питання тепловкладення у виріб під час плазмової обробки, особливо при
роботі плазмотрона на прямій полярності, розглянуті у значній кількості робіт [51–
54].
Виявлено основні фактори, що впливають на ефективний коефіцієнт
корисної дії процесу (ηі). При збігу якісної оцінки впливу параметрів режиму на ηи
результати різних досліджень мають значні розбіжності у кількісних показниках.
Це пояснюється різноманіттям конструкцій плазмотронів, методик, обладнання і
реєструвальних приладів для визначення тепловкладення у виріб, а також
значними відмінностями умов проведення досліджень (діапазон потужності
стиснутої дуги, ступінь стиснення дуги, технологічні особливості тощо).
Певний спосіб плазмової обробки металів висуває специфічні вимоги до
параметрів стиснутої дуги, які задаються конструкцією плазмотрона і параметрами
режиму процесу.
За однакового струму та інших рівних умов тепловкладення у виріб при
роботі плазмотрона на зворотній полярності (Pізп) в 1,3–1,6 рази вище, ніж на
прямій полярності (Pіпп), що пояснюється вищою напругою на дузі [61].
33

Під час роботи плазмотрона на прямій полярності розподіл потужності по
плямі нагріву підпорядковується закону нормального розподілу Гаусса [62]. У
такому розподілі максимальна потужність зосереджена в центрі плями нагріву і
являє собою нерівномірно розподілене джерело. Зона контакту дуги з
оброблюваною поверхнею при роботі плазмотрона на прямій полярності є анодною
плямою, розміри якої визначаються діаметром плазмоутворювального сопла
плазмотрона (рис. 2.1а).

Рис. 2.1. Схема теплопередачі у виріб під час плазмової обробки. а – пряма
полярність струму, б – зворотна полярність струму.
Рп.п. – потужність, передана конвекцією; Ра.п. – потужність, виділена в
анодній плямі; Рк.п. – потужність, виділена в катодній області; dп.с. – діаметр
плазмового струменя; dа.п. – діаметр анодної плями; dк.о. – діаметр катодної
області.
На відміну від стиснутої дуги прямої полярності, стиснута дуга зворотної
полярності характеризується більш рівномірним розподілом теплової потужності
по поверхні виробу (рис. 2.1б).
Це досягається наступним чином: під час роботи плазмотрона в режимі дуги
прямої дії зворотної полярності оброблюваний виріб є холодним катодом, а дуга
належить до типу дуг із нестаціонарними катодними плямами, що переміщуються
по його поверхні.
Однією з характерних особливостей нестаціонарних плям є їхня
короткочасність існування та висока густина струму (j ~ 10⁵–10⁶ А/м²), при цьому
питомі теплові потоки досягають значень (q ~ 10⁶–10⁷ Вт/см²) [62].
34

Площа сканування поверхні виробу визначає теплопередачу від катодної
області (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Схема теплопередачі у виріб під час роботи плазмотрона на струмі
зворотної полярності. qк.п. – тепловий потік від нестаціонарної катодної плями;
qп.п. – результуючий тепловий потік; d – діаметр впливу теплового потоку; h –
глибина проплавлення основи.

Визначення складових теплопередачі у виріб від плазмового потоку
Детальне моделювання плазмових явищ у зоні впливу стиснутої дуги є
окремою складною задачею. Тому для оцінки величини потужності, складових
теплопередачі у виріб плазмовим потоком (Рп) під час роботи плазмотрона на
прямій та зворотній полярності, а також впливу технологічних параметрів доцільно
використовувати експериментальні дані.
Як основні фактори було обрано технологічні параметри:
Iд – сила струму;
Gп – витрати плазмоутворювального газу;
та геометричні параметри:
dc – діаметр сопла;
hэс – відстань від електрода до сопла.
Мета експерименту полягала у визначенні складових теплопередачі у виріб
від анодної та катодної області, а також плазмового потоку.
35

Для отримання достовірних і найбільш точних даних було використано
комбінацію схем (рис. 2.3) і методику проведення експерименту, запропоновану в
роботі [67].

Рис. 2.3. Комбінація та послідовність схем проведення експериментів: 1 –
плазмоутворювальне сопло; 2 – мідний катод із вольфрамовою вставкою; 3 –
мідний імітатор виробу; 4 – мідний імітатор виробу з вольфрамовою вставкою; 5 –
мідний анодний електрод; 6 – мідний анодний електрод із вольфрамовою
вставкою; 7 – стиснута дуга.
Вимірювання проводилися таким чином, щоб зафіксувати падіння напруги
стиснутої дуги Uд і падіння напруги на її ділянках: електрод – сопло Uэс і сопло –
виріб Uси [57, 58], а також відповідне тепловкладення в вузли плазмотрона та
виріб.
При розвиненій поверхні катода, як у нашому випадку при використанні
комбінованого електрода (схеми 1 і 2), зона контакту дуги з катодом являє собою
сукупність досить великої кількості відносно малих за розміром, але розрізнених
нестаціонарних плям різного типу.
36

Високу температуру має лише та частина поверхні, на яку припадають плями
дуги, а решта поверхні залишається відносно холодною. Катодні плями не
закріплені в одному місці, вони переміщуються по всій поверхні катода
(вольфрамовій вставці). Під час переміщення дуга прив’язується до країв
вольфрамової вставки, спричиняючи підплавлення міді. У зв’язку з відсутністю
стабільної катодної плями потрібні додаткові витрати енергії на емісію електронів,
що призводить до збільшення катодного падіння напруги [47].
Зниження катодного падіння напруги Uк під час роботи за схемою №3 у
порівнянні зі схемою №4 можна пояснити емісійними властивостями: оскільки
емісійні властивості вольфраму вищі, ніж у міді, катодне падіння напруги
знижується.
На відміну від катодного падіння напруги, яке залежить від матеріалу катода
і може змінюватися від 5 до 12 В, анодне падіння напруги, на думку низки
дослідників [27-29], не залежить від матеріалу анода і є постійною величиною (Uа
≈ const).
Для проведення досліджень у цьому напрямку до комбінації схем була
додана схема №5 для роботи на зворотній полярності з мідним електродом-анодом
і мідним імітатором виробу з вольфрамовим осердям (рис. 2.4).
Для дослідження зміни анодного падіння напруги залежно від матеріалу
анода було вибрано такі комбінації схем:
Схеми №3 і №5, де в схемі №3 використовується мідний електрод-анод, а в
схемі №5 – комбінований електрод-анод із вольфрамовою вставкою. Імітатором
виробу в обох випадках є мідна пластина з вольфрамовим осердям.
Схеми №1 і №2 з однаковими електродами-катодами, але в схемі №1
імітатором виробу є мідна пластина, а в схемі №2 – мідна пластина з вольфрамовим
осердям.
37

Рис. 2.4. Схема для роботи на зворотній полярності з комбінованим
електродом-анодом і мідним імітатором виробу з вольфрамовим осердям.
З графіків на рис. 2.5 і 2.6 видно, що матеріал анода не має значного впливу
на анодне падіння напруги Uа.

Рис. 2.5. Розподіл падіння напруги на ділянці стиснутої дуги всередині
плазмотрона залежно від струму дуги при роботі плазмотрона на зворотній
полярності (dс = 5 мм, hси = 5 мм, G = 4 л/хв). Ряд 1 – схема №3; Ряд 3 – схема
№5.

Рис. 2.6. Розподіл падіння напруги на зовнішній частині стовпа дуги
залежно від струму дуги при роботі плазмотрона на прямій полярності (hси = 5
38

мм, G = 4 л/хв). Ряд 1 – dс = 3 мм, схема №1; Ряд 2 – dс = 5 мм, схема №1; Ряд 3 –
dс = 3 мм, схема №2; Ряд 4 – dс = 5 мм, схема №2.
Необхідно зазначити, що отримані в ході досліджень дані про зміну
катодного падіння напруги залежно від матеріалу катода, а також той факт, що
матеріал анода не впливає на анодне падіння напруги, добре узгоджуються з
відомими даними [31-34].
2.2 Аналіз та верифікація результатів моделювання
Рішення теплової задачі та порівняння з експериментальними даними
здійснювалося на прикладі плазмового наплавлення дроту зі сталі 10Х18Н10Т на
зразок із того ж матеріалу. Теплофізичні характеристики матеріалу наведені в табл.
2.1.
Таблиця 2.1 – Прийняті при розрахунку теплофізичні характеристики
наплавлюваного матеріалу

На рис. 2.7 наведено макрошліф наплавленого на струмі прямої полярності
валика. Для проведення досліджень використовувався режим із табл. 2.2.
Таблиця 2.2 – Режим плазмового наплавлення
Iд, А V , V ,
pl пр
№ зразка Vпер, м/год Gп, л/хв Gз, л/хв м/год м/год
1 180 8,4 3,8 5,5 12 36
Ширина наплавленого валика за один прохід склала 12,5 мм, висота
наплавлення – 1,5 мм, глибина проплавлення основного металу – 2,7 мм.
39

Рис. 2.7. Макрошліф (х8) наплавленого валика на струмі прямої полярності.
На рис. 2.1 представлені результати розрахунків із виділеною зоною
розплавленого металу.

Рис. 2.8. Результати теплового розрахунку наплавлення на струмі прямої
полярності
Розрахункові значення ширини та висоти наплавленого валика становили
12,4 мм і 1,5 мм відповідно. Глибина проплавлення основного металу склала 1,8
мм. Для порівняння експериментальні та розрахункові поперечні перерізи
наплавленого валика наведено разом на рис. 2.9 і 2.10. На рис. 2.10 представлені
результати розрахунків при наплавленні дугою зворотної полярності. У цьому
випадку глибина проплавлення значно зменшується порівняно з наплавленням на
прямій полярності.
Розрахункові значення ширини та висоти наплавленого валика склали 14,5
мм і 2,5 мм відповідно (експериментальні значення 15 мм і 2,4 мм). Глибина
проплавлення основного металу склала 0,7 мм (експериментальне значення 0,5 мм).
40

Рис. 2.9. Експериментальні та розрахункові поперечні перерізи
наплавленого валика при плазмовому наплавленні на прямій полярності.

Рис. 2.10. Експериментальні та розрахункові поперечні перерізи
наплавленого валика при плазмовому наплавленні на зворотній полярності.
На рис. 2.11, а, б наведені термічні цикли процесу плазмового наплавлення
на струмі прямої та зворотної полярності.

Рис. 2.11. Термічний цикл нагріву – охолодження поверхні при наплавленні
на прямій полярності струму (а) та зворотній полярності струму (б).
За результатами досліджень встановлено, що при роботі плазмотрона на
струмі зворотної полярності в початковий момент часу теплопередача у виріб
41

здійснюється головним чином за рахунок тепловиділення в катодних плямах, а
згодом – за рахунок плазмового потоку та механізму теплопровідності від
поверхневого шару до глибших шарів матеріалу деталі. Умови нагрівання поверхні
суттєво впливають на кінцеві властивості наплавлюваного матеріалу та матеріалу
підкладки. Використання зворотної полярності струму дозволяє знизити вплив
термічного циклу під час багатопрохідного наплавлення.
Таким чином, модель дозволяє оцінити геометричні параметри наплавленого
валика та здійснити попередній вибір технологічних параметрів процесу
наплавлення. Похибка у тестових прикладах не перевищила 10% для висоти та
ширини валика та 20% для визначення глибини проплавлення на зворотній
полярності.
2.3 Дослідження структури та властивостей шаруватих матеріалів
2.3.1 Багатошарове плазмове наплавлення однорідних матеріалів на
основі сталі 10Х18Н10Т
Зниження матеріаломісткості та виробничих витрат при виготовленні
виробів складної форми з кольорових металів і високолегованих сталей є
актуальним завданням [10].
На сьогодні одним із перспективних методів маловідходного виробництва
виробів зі складною формою з металів і сплавів є вирощування заготовок і деталей,
так звані адитивні технології. Принцип формування виробів пошаровим
вирощуванням шляхом наплавлення або спікання матеріалу дозволяє створювати
деталі складної форми з інструментальних, конструкційних сталей та інших
сплавів. Отримання таких виробів звичайними методами лиття та механічної
обробки є складним, трудомістким і супроводжується великим витратами дорогих
матеріалів.
Адитивні технології дозволяють реалізувати основні принципи створення
матеріалів нового покоління і представляють собою інноваційний підхід до
проєктування та виготовлення деталей у порівнянні з традиційними методами
лиття та обробки на металорізальних верстатах.
42

На сьогодні активно досліджуються і вже знаходять промислове
застосування технології створення складних заготовок і готових виробів за
допомогою лазерного наплавлення порошкових матеріалів [11–144].
Для реалізації таких технологій потрібні порошки з розміром частинок 40–
150 мкм. Розвинута поверхня частинок є джерелом дефектів у створюваних
виробах (залишкова пористість, неметалічні включення різного складу). Особливо
це стосується виготовлення виробів з активних матеріалів і високолегованих
сплавів (титан, нікелеві сплави, високолеговані сталі тощо).
Робота з такими матеріалами передбачає наявність вакууму або спеціальної
атмосфери, що ускладнює обладнання та обмежує габарити виробу.
Продуктивність лазерного наплавлення є невисокою.При цьому обладнання
та витратні матеріали (порошок) мають високу вартість [15].
На прикладі формування заготовок із високолегованої сталі 10Х18Н10Т
проведено порівняльні дослідження впливу полярності струму на структуру та
властивості шаруватого матеріалу.
Також продемонстровано можливість використання комбінації різнорідних
матеріалів із високолегованої сталі 10Х18Н10Т та нікелевого сплаву
06Х15Н60М15 для підвищення експлуатаційних характеристик шаруватого
матеріалу.
Сталь 10Х18Н10Т належить до аустенітного класу корозійностійких сталей,
які після високотемпературного нагрівання мають переважно аустенітну
структуру; ці сталі можуть містити до 10% фериту [65].
Хромонікелеві сталі широко застосовуються у зварних конструкціях, які
працюють у контакті з азотною кислотою, іншими окислювальними
середовищами, деякими органічними кислотами, органічними розчинниками, а
також в атмосферних умовах тощо.
У таблиці 2.3 наведено механічні характеристики сталі 10Х18Н10Т [45].
σ0,2 ,(МПа) σв, (МПа) δ 2
5, (%) ψ ,% KCU ,(Дж / см )
10Х18Н10Т 225 550 46 66 215
43

У роботі наведено приклад формування фланця для патрубків нафто-газового
обладнання, прес-форми, кільця з високолегованої сталі 10Х18Н10Т методом
багатошарового плазмового наплавлення.
Наплавлення виконувалося плазмовою дугою прямої дії при роботі
плазмотрона на струмах прямої та зворотної полярності. Режим наплавлення було
вибрано на основі результатів чисельного моделювання. Після наплавлення
заготовка піддавалася чистовій механічній обробці (рис. 2.12).
Наплавлення виконувалося в наступній послідовності:
1. Наплавлення першого валика на матеріал підкладки. У ролі підкладки
використовувалася труба 159х6–10Х18Н10Т. Присадковий матеріал – дріт
10Х18Н10Т діаметром 1,0 мм. Наплавлення здійснювалося з погонною енергією E
= 26640 Дж/см.
2. Наплавлення наступних шарів. Наплавлення виконувалося з тією ж
погонною енергією без додаткового зачищення поверхні. При плазмовому
наплавленні струмом прямої полярності заготовка охолоджувалася до температури
не більше 100°C. При наплавленні струмом зворотної полярності процес
здійснювався безперервно.

а б
44

в г
Рис. 2.12. Результати наплавлення: а – вигляд заготовки; б – кінцевий виріб;
в, г – багатошарове наплавлення ущільнювального кільця паропроводу високого
тиску.
Після наплавлення були проведені структурні дослідження наплавленого
матеріалу та зон сплавлення між шарами із застосуванням світлової та електронної
мікроскопії (рис. 2.13, 2.14).
45

Рис. 3.2. Структура шару, наплавленого на прямій полярності струму.
На шліфах представлено багатошарове наплавлення (10 шарів) висотою 17,2–
18,7 мм. Структура наплавлення по висоті нерівномірна:
У перших шарах (знизу), висотою 3,5–3,7 мм, структура дрібнокристалічна,
ячеїсто-дендритного характеру, представлена аустенітом і карбідами зі значною
кількістю виділень δ-фериту (рис. 2.13, виділений фрагмент 2).
Далі шар наплавлення зберігає дрібнокристалічну структуру з меншим
вмістом δ-фериту.
46

В іншій частині шарів наплавлення (висотою 14,2–15 мм) спостерігається
крупнокристалічна структура витягнутих дендритів із формуванням меж
первинних зерен. Структура – аустеніт + карбіди, виділення δ-фериту поодинокі
(рис. 2.13, виділений фрагмент 3).
У зоні крупнокристалічної структури наплавленого металу утворилися гарячі
тріщини, що проходять по межах первинних зерен.
Загалом метал наплавлення не має дефектів, таких як несплавлення, пори, або
плівки.
У зоні термічного впливу (ЗТВ) спостерігається незначне зростання зерна,
ширина ЗТВ становить 2,3–2,5 мм; структура основи характерна для аустенітних
сталей, представлена дрібнозернистим аустенітом + карбідами.
Структура металу, наплавленого на прямій полярності струму, є типовою для
традиційних методів наплавлення і не відрізняється унікальними властивостями.
Наявність гарячих тріщин знижує працездатність таких деталей.

Рис. 2.14. Структура шару, наплавленого на зворотній полярності струму.
Металографічне дослідження зразків, отриманих наплавленням на зворотній
полярності струму, показало утворення перехідної зони товщиною до 100 мкм у
47

зоні першого наплавленого шару. Структура першого та другого шарів покриття
має дендритну будову з взаємним проростанням зерен із одного шару в інший (рис.
2.14) із підвищеною карбідною неоднорідністю.Частинки карбідів зазвичай
розташовуються по межах зерен. Така картина є характерною для першого
наплавленого шару, що пов’язано з повторним нагріванням під час наплавлення
наступних шарів.
2.3.2 Багатошарове плазмове наплавлення шаруватого матеріалу на
основі сталі 10Х18Н10Т і сплаву 06Х15Н60М15
Прогресивно розвиваючі галузі промисловості — хімічна, машинобудування,
транспорт та інші — базуються на широкому використанні високоміцних залізних,
нікелевих та інших сплавів.
исоколеговані сплави нікелю володіють, окрім високої жароміцності та
окалиностійкості, значною корозійною стійкістю в газових, соляних і
рідкометалевих середовищах та можуть експлуатуватися за температур до 1000–
1100°С. Нікелеві сплави поділяються на дві групи: гомогенні нетермоукріплювані,
гетерогенні термоукріплювані дисперсійним твердінням [12–17].
Багато виробів із дорогих дефіцитних металів і сплавів виготовляють
комбінованими: основа складається з дешевших матеріалів, а на робочі поверхні
наплавляють сплави зі спеціальними властивостями. Такі біметалеві конструкції,
отримані шляхом наплавлення, у багато разів дешевші за конструкції, виготовлені
повністю з металу з необхідними властивостями [14].
Завдання полягає у створенні шаруватого матеріалу на основі
хромонікелевих сплавів і високолегованих сталей методом багатошарового
плазмового наплавлення при роботі плазмотрона на струмі зворотної полярності з
метою підвищення експлуатаційних характеристик матеріалу.
На рис. 2.4 представлено шаруватий матеріал після механічної обробки.
48

Рис. 2.15. Зразок шаруватого матеріалу, підготовлений для механічних
випробувань.
Режим наплавлення наведено в таблиці 2.4.
Таблиця 2.4 – Режими наплавлення

Результати вимірювань мікротвердості наведені в табл. 2.5 і на рис. 2.16.
Механічні властивості представлені в табл. 2.6. Результати вимірювань
мікротвердості показали рівномірне зменшення значень із глибиною
досліджуваного матеріалу від поверхні нікелевого сплаву до матеріалу підкладки.
Під час проведення механічних випробувань шар підкладки був видалений.
Таблиця 3.5 – Мікротвердість

49

Рис. 2.16. Розподіл мікротвердості по перерізу отриманого матеріалу.

2.3.3 Дослідження корозійної стійкості шаруватих матеріалів на основі
сталі 10Х18Н10Т і сплаву 06Х15Н60М15
Одним із напрямків розвитку сучасного хімічного машинобудування,
спрямованого на підвищення надійності та довговічності продукції, що
випускається, є створення і застосування нових енерго- та ресурсозберігаючих
технологій обробки матеріалів і виготовлення деталей при виробництві
технологічного обладнання [13].
Це особливо актуально для нафто-газопереробної та нафтохімічної галузей
промисловості, де проблема передчасного виходу з ладу обладнання, яке в процесі
експлуатації зазнає значних механічних навантажень і працює у безпосередньому
контакті з агресивними середовищами, є надзвичайно важливою.
У зварних з'єднаннях високолегованих корозійностійких сталей через високу
електрохімічну гетерогенність, зумовлену неоднорідністю хімічного складу металу
шва, структури, властивостей і напруженого стану, корозійні руйнування
відбуваються найбільш інтенсивно порівняно з основним металом.
50

Основні труднощі у зварюваності цих сталей зумовлені
багатокомпонентністю їхнього легування та різноманіттям умов експлуатації
зварних конструкцій. Головною і загальною особливістю зварювання є схильність
до утворення в металі шва і зоні навколо шва гарячих тріщин міжкристалічного
характеру [11].
Ця проблема є основною причиною руйнування трубопроводів, апаратури
хімічної, металургійної, енергетичної, атомної промисловості, а також теплоносіїв
[14].
Для підвищення стійкості зварних з'єднань до корозійного зносу, а також для
відновлення працездатності обладнання, яке працює в корозійно-активних
середовищах, необхідний комплексний підхід, що включає створення та освоєння
нових методів відновлення працездатності обладнання.
Під час експлуатації відбувається активний корозійний знос, який особливо
інтенсивно проявляється в зонах зварних з'єднань [13,14]. Для підвищення
корозійної стійкості зварних з'єднань застосовують декілька методів [15–17],
зокрема плазмове наплавлення та відновлення зношених робочих поверхонь
деталей, що працюють у корозійних середовищах.
На основі аналізу результатів досліджень зразків із вуглецевих і
корозійностійких сталей було зроблено наступний висновок: корозійне
розтріскування, а іноді й процеси корозії посилюються під впливом залишкових
зварювальних напружень [18].
Аналіз застосовуваних марок сталей показує, що серед високолегованих
сталей найчастіше використовується сталь марки 10Х18Н10Т, а серед вуглецевих і
низьколегованих сталей — 09Г2С.
Це пояснюється тим, що аустенітні хромонікелеві сталі, до яких належить
сталь 10Х18Н10Т, мають високу стійкість у контакті з азотною кислотою та
іншими окислювальними середовищами, деякими органічними кислотами
середньої концентрації, органічними розчинниками. Вони відзначаються високою
пластичністю та ударною в'язкістю, високими механічними властивостями за
51

негативних температур, стійкістю до окислення в повітрі та в атмосфері продуктів
згоряння палива при температурах до 900 °С, що забезпечує надійну роботу
зварних конструкцій упродовж тривалого часу [19].
Водночас, низьколеговані кремнемарганцеві сталі, такі як 09Г2С, 10Г2С,
16ГС, є одними з основних матеріалів для виготовлення корпусів апаратів, які
працюють у малоагресивних середовищах у широкому діапазоні температур.
Проте, незважаючи на унікальний комплекс фізико-механічних
властивостей, сталь 10Х18Н10Т має ряд недоліків:
Невисока міцність і твердість.
Висока чутливість до напружень при навантаженнях.
Схильність зварних швів до міжкристалітної корозії (МКК).
Відомо, що схильність до МКК і швидкість росту корозійних тріщин у
хромистих і хромонікелевих сталей пов’язані з утворенням на межах зерен
карбідної сітки та збідненням хрому у прилеглих областях твердого розчину, по
яких розвиваються корозійні тріщини. Швидкість росту карбідних частинок, у
свою чергу, визначається температурою нагрівання та хімічним складом сталі,
зокрема вмістом вуглецю, нікелю, кремнію та інших домішок.
Вуглецеві та низьколеговані сталі мають знижену корозійну стійкість і
схильні до атмосферної корозії без додаткового захисту [20–25].
За результатами дослідження корозійної стійкості зразків, виконаних
багатошаровим плазмовим наплавленням на струмах прямої та зворотної
полярності високолегованої сталі 10Х18Н10Т, отримано такі результати (табл. 2.7):
Зразок №1 – плазмове наплавлення високолегованої сталі струмом прямої
полярності.
Зразок №2 – наплавлення високонікелевого сплаву на високолеговану сталь.
Зразок №3 – наплавлення високолегованої сталі струмом зворотної
полярності.
На рис. 2.17 представлені графічні залежності швидкості загальної корозії
зразків.
52

Таблиця 2.7 - Результати корозійних випробувань високолегованої сталі та
сплаву

Рис. 2.17. Швидкість загальної корозії
Висновок до розділу 2
• Визначено величини падіння напруги на всіх ділянках дуги для струмів у
діапазоні 50–300 А.
• Встановлено, що матеріал анода практично не впливає на анодне падіння
напруги.
53

• Виконано оцінку теплопередачі у виріб плазмовим потоком і електродними
анодними та катодними плямами при плазмовій обробці на струмі прямої та
зворотної полярності.
• Показано можливість регулювання в широких межах питомого теплового
потоку, що передається через нестаціонарні катодні плями при використанні
струму зворотної полярності, за рахунок зміни площі блуждання катодних
плям.
• Доведена можливість формування заготовок з високолегованої сталі
10Х18Н10Т методом багатошарового плазмового наплавлення при роботі
плазмотрона на струмі прямої та зворотної полярності.
• Встановлено, що при використанні струму прямої полярності під час
вирощування багатошарової заготовки зі сталі 10Х18Н10Т утворюються
гарячі мікротріщини. При використанні струму зворотної полярності
формується бездефектна дрібнодисперсна структура.
• Проведені дослідження щодо створення шаруватого різнорідного матеріалу
на основі сталі 10Х18Н10Т і 06Х15Н60М15, виконаного багатошаровим
плазмовим наплавленням струмом зворотної полярності.
• Мікроструктурні дослідження показали, що в шаруватому матеріалі,
виконаному з різнорідних компонентів, шари щільні, внутрішні дефекти
відсутні.
• Показано, що використання струму зворотної полярності дозволяє знизити
швидкість загальної корозії для високолегованої сталі 10Х18Н10Т у
порівнянні з наплавленням на струмі прямої полярності до 10%.
Використання біметалу (10Х18Н10Т + 06Х15Н60М15) дозволяє знизити
швидкість корозії до 50%.

54

Розділ 3
3.1 Отримання шаруватих матеріалів на основі міді та мідних сплавів
плазмовим наплавленням
Мідь має унікальні властивості, такі як висока електро- та теплопровідність,
корозійна стійкість, пластичність. Мідь зберігає міцність і пластичність при
температурі до -269 °С. Ці властивості дозволяють використовувати мідь у
виробництві виробів для військової промисловості, хімічної апаратури,
кристалізаторів, випарників, фурм доменних печей, ущільнювачів запірної
арматури нафтової промисловості та в багатьох інших галузях техніки [29–31].
Однак наплавлення міді та її сплавів на сталь супроводжується рядом
труднощів через такі фактори:
1. Висока теплопровідність міді. Це потребує використання
концентрованих джерел нагріву великої потужності, а також у багатьох випадках
попереднього та супутнього підігріву основного металу під час зварювання.
2. Легка окиснюваність міді в розплавленому стані. Утворення оксиду
міді (Cu₂O), який розчиняється в рідкій міді, спричиняє утворення евтектичного
сплаву з нижчою температурою плавлення, що знижує стійкість металу шва до
кристалізаційних тріщин.
3. Висока розчинність водню в розплавленій міді. Це є причиною
утворення пор.
4. Високий коефіцієнт лінійного розширення міді (в 1,5 раза більший, ніж
у сталі). Це спричиняє значні залишкові деформації.
5. Велика рідкотекучість міді. Це створює додаткові труднощі при
зварюванні [32].
Складність у наплавленні також обумовлена різницею температур плавлення
міді та сталі. Для міді Tпл = 1030 °С, Для сталі Tпл = 1540 °С. Це створює труднощі
у виборі джерела нагріву, оскільки необхідно забезпечити надійне змочування
поверхонь [33].
55

Використання плазмового наплавлення дозволяє вирішити більшу частину
проблем, пов'язаних із наплавленням міді.
Особливо це стосується плазмового наплавлення на струмі зворотної
полярності. Завдяки великій площі теплового впливу на виріб, рівномірному
розподілу теплового потоку в зоні нагріву та катодному очищенню поверхні
забезпечується мінімальне проплавлення основного металу та зниження частки
основного металу в наплавленому шарі [31–33].
Наплавлення міді (М1) здійснювалося на високолеговану сталь 10Х18Н10Т. У
разі наплавлення на струмі прямої полярності потужність дуги, необхідна для
плавлення присадочного матеріалу, викликає значне проплавлення основного
матеріалу на глибину до кількох міліметрів (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Макрошліф зразка, наплавленого на струмі прямої полярності.
Характеристики наплавки: Висота наплавленого шару: до 2,2 мм. Ширина
наплавленого шару: 13 мм. Перехід до основного матеріалу: плавний, без підрізів.
Глибина проплавлення основного матеріалу: до 2,1 мм. Наплавлений метал:
щільний, без видимих дефектів. Мікроструктурний аналіз наплавленого шару
представлено на рис. 3.2.
56

наплавка
основа наплавка

Рис. 3.2. Мікрошліф зразка, наплавленого на струмі прямої полярності.
Особливості мікроструктури: Дефекти: пори та тріщини відсутні. Перехідна
зона: сформована між сталлю та міддю, шириною 0,06–0,25 мм. У перехідній зоні
мідь розташована по межах кристалів оплавленої сталі. Дифузія: дифузії міді в
основний матеріал не спостерігається. Включення: у мідній матриці наплавленого
металу по всьому об'єму є включення сталі різних розмірів. Значення
мікротвердості (HV 0,050) характерних зон наплавлення. Дані про мікротвердість
представлені в таблиці 3.1.
Таблиця 3.1 - Мікротвердість характерних зон наплавлення

Як видно з вимірів, мікротвердість основного матеріалу та зони термічного
впливу (ЗТВ) знаходиться на одному рівні, що узгоджується з видом
мікроструктур. Мікротвердість перехідної зони демонструє розкид значень, що
також відповідає її мікроструктурі. Мікротвердість мідної матриці є нижчою
порівняно з ділянками, що містять включення острівців сталі.
У порівнянні з наплавленням на струмі прямої полярності, при зворотній
полярності на необхідній потужності для плавлення присадочного матеріалу
проплавлення основи практично відсутнє (рис. 3.3).
57

Рис. 3.3. Макрошліф зразка, наплавленого на струмі зворотної полярності.
Характеристики наплавки: Матеріал наплавки: мідь М1. Форма наплавки:
валик. Ширина наплавленого валика: 13,5 мм. Висота наплавленого валика: до 3
мм. Мікроструктурні дослідження наплавленого зразка представлені на рис. 3.4.
нап
лавка
о
нап
снова
лавка
Рис. 3.4. Мікрошліф зразка, наплавленого на струмі зворотної полярності
(х100).
Характеристики мікроструктури: Наплавлений метал: щільний, без пор і
тріщин. Перехідна зона - Ширина: 0,198–0,904 мм. Склад: сталь із включеннями
міді. Метал основи (10Х18Н10Т): має дрібнокристалічну структуру.
Основа: аустеніт із виділеннями δ-фериту по межах кристалів + карбіди.
Типова для литого стану металу зварних швів.
Значення мікротвердості (HV 0,050) характерних зон наплавки наведені в
таблиці 3.2.
Таблиця 3.2 - Мікротвердість характерних зон наплавлення
58

При плазмовому наплавленні міді на сталь на струмі зворотної полярності
спостерігається чітка межа сплавлення, забезпечується структурна однорідність
металу наплавки, максимально скорочується розмір перехідної зони. Наплавлений
шар щільний, відсутні включення сталі, усадочні раковини, пори та кристалізаційні
тріщини.
3.2 Порівняння корозійної стійкості шаруватих матеріалів на основі міді
та композитного мідного сплаву, отриманих методом плазмового
наплавлення
В атмосферних умовах, на відміну від багатьох інших металів, мідь не
піддається корозії, оскільки на її поверхні утворюється тонкий рівний шар (плівка)
продуктів корозії, що не містить агресивних сполук, здатних за певних умов
руйнувати метал. Корозія міді в атмосферних умовах – процес, що самовільно
затухає, оскільки продукти корозії захищають поверхню металу від зовнішнього
середовища.
У воді та нейтральних розчинах солей мідь має достатню стійкість, яка
помітно знижується за наявності кисню та окислювачів. У морській воді, що
аерується при низькій швидкості руху, для міді характерне невелике рівномірне
розчинення (приблизно 0,05 мм/рік) [51].
Мідь вирізняється серед інших металів високою теплопровідністю та
електропровідністю. Проте підвищені вимоги до металу, які висуває сучасна
техніка (насамперед морське суднобудування, авіабудування, електротехнічна
промисловість, атомна техніка та космонавтика), зумовлюють необхідність
вивчення корозійної стійкості покриттів з міді, виконаних наплавленням. Це
дозволить вирішити актуальні питання, пов’язані з підвищенням надійності та
довговічності деталей з міді – зменшення корозії металу за високих температур та
підвищення зносостійкості [52].
59

Кислотне середовище є для міді найбільш агресивним. Найсильніший вплив
чинять азотна та сірчана кислоти; у концентрованому розчині метал може повністю
розчинитися. Цю особливість металу враховують під час виготовлення труб,
деталей для нафто-газової промисловості, де такі кислоти присутні постійно.
Корозія міді в лужному середовищі не спостерігається, навпаки, у лузі мідь
відновлюється з двовалентного стану до одновалентного. Мідь сама по собі є
лужним металом.
У вологому повітрі корозія міді проявляється з часом і залежить від тривалості
впливу. Сухий клімат практично не впливає на руйнування металу. Вологе повітря,
насичене вуглекислим газом, сульфідами, хлоридами, спричиняє корозію міді,
руйнуючи її захисну плівку. При тривалому перебуванні виробу у вологому повітрі
починає утворюватися шар патини – це оксид солей, який спочатку має темно-
коричневий колір, а згодом набуває зеленуватого відтінку. Патина не розчиняється
у воді, не піддається впливу вологості і є нейтральною до міді, тому не лише не
руйнує її, але й виконує захисну функцію.
Залежність швидкості розчинення міді від концентрації HNO₃ при 20°C
представлена на рис. 3.5.

Рис. 3.5. Залежність швидкості розчинення міді від загальної концентрації
HNO₃.
Отримані результати дослідження представлені в таблиці 3.3. Зразок №1
відповідає варіанту, виконаному плазмовим наплавленням на струмі зворотної
60

полярності. Зразок №2 — виконаному на струмі прямої полярності. Зразок №3 —
композиту, виконаного з перемішуванням основи та наплавлюваного матеріалу.
Таблиця 3.3 – Результати дослідження корозійної стійкості

Для порівняльної оцінки показника корозії проведено обчислення швидкості
загальної корозії для кожного зразка. Графічна залежність представлена на рис. 3.6.

Рис. 3.6. Швидкість загальної корозії біметалу сталь-мідь.

На рис. 3.7 відповідно представлені фотографії поверхні міді, яка зазнала
корозійного руйнування.
61

а б в
Рис. 3.7. Зображення поверхні міді після корозійних випробувань
(збільшення х2): а – зворотна полярність, б – пряма полярність, в – композит.
Дослідження корозійної стійкості шаруватих матеріалів показали підвищення
корозійної стійкості матеріалів, отриманих плазмовим наплавленням на струмі
зворотної полярності міді (М1) на сталь 10Х18Н10Т. Використання композитного
сплаву на основі міді дозволяє підвищити корозійну стійкість матеріалу до 50%.
3.3. Дослідження структури та властивостей при плазмовому
наплавленні бронз БрКМц3-1 та БрАМц9-2 на сталь 38Х2Н2МА
Бронзи поширені в морському суднобудуванні, загальному машинобудуванні,
авто- та авіабудуванні. З високоміцних алюмінієвих бронз виготовляють
відповідальні деталі: шестерні, втулки, сідла клапанів, гайки натискних гвинтів,
підшипники, пружини та пружні деталі, деталі електрообладнання. Поряд з цим
бронзи відрізняються антифрикційними властивостями, гарною корозійною
стійкістю [39].
Наплавлення бронз традиційними методами супроводжується низкою
труднощів і необхідністю застосування спеціальних технологічних заходів [40]:
Необхідність попереднього та супутнього підігріву, необхідність багатопрохідного
наплавлення для досягнення потрібного значення величини робочого шару,
залишкова пористість, кристалізаційні тріщини, підвищена величина перехідної
зони.
При цьому важливим завданням було збереження показників твердості
матеріалу основи сталі 38Х2Н2МА, що попередньо піддавалася термічній обробці,
після проведення наплавлення та забезпечення протяжності перехідної зони до 0,1
62

мм. Режим термічної обробки сталі 38Х2Н2МА: гартування 850°С в масло на 1
годину + відпуск 650°С на 1,5 години, із забезпеченням твердості не нижче 270 HB
[43-45].
Алюмінієві бронзи мають такі переваги порівняно з кремнистими бронзами
[41]: мінімальна схильність до дендритної ліквації; більша щільність виливків;
краща рідкотекучість; вища міцність і жароміцність; вища корозійна та
протикавітаційна стійкість; менша схильність до холодноламкості. До недоліків
алюмінієвих бронз належить: усадка при кристалізації; схильність до утворення
великих стовпчастих кристалів; сильне окислення в розплавленому стані, при
якому утворюються оксиди алюмінію, що призводять до шиферного зламу в
деформованих напівфабрикатах; спінювання розплаву при заливанні у форму.
Кремнисті бронзи відрізняються гарною зварюваністю та розтікаємістю [42].
Було проведено відпрацювання режиму наплавлення для забезпечення
потрібного розміру перехідної зони. Зовнішній вигляд наплавлення представлено
на рис. 3.8. Попередньо було обрано режими, що забезпечують якісне формування
наплавлюваного шару. Наплавлення проводилося на погонній енергії E = 28,8
кДж/см для прямої та зворотної полярності струму.

Рис.3.8. Зовнішній вигляд наплавлення. а - пряма полярність струму,
БрКМц3-1; б - пряма полярність струму, БрАМц9-2; в - зворотна полярність
струму, БрКМц3-1; г - зворотна полярність струму, БрАМц9-2.
На наступному етапі проведено роботи з вивчення мікроструктури
наплавлених шарів. З кожного зразка було виготовлено повздовжній мікрошліф.
Зразок 1 - пряма полярність струму, БрКМц3-1, зразок 2 - пряма полярність струму,
БрАМц9-2, зразок 3 - зворотна полярність струму, БрКМц3-1, зразок 4 - зворотна
полярність струму, БрАМц9-2. Металографічне дослідження показало:
63

Зразок 1 (рис. 3.9а)
Ширина наплавлення за один прохід: висота 2,5-4,2мм ширина 19,5мм; метал
наплавлення без несплавлень, пор, плівок, тріщин; структура наплавлення
складається з α- твердого розчину та γ- фази; біля лінії сплавлення є нерівномірна
перехідна зона зі сталі та бронзи шириною 0,005-0,275мм; у перехідній зоні бронза
розташовується по границях кристалів сталі. Дифузії бронзи від границі розділу в
основний матеріал не спостерігається; структура основи типова для сталей даного
типу і обраного виду термічної обробки, складається з мартенситу, бейніту.
Зразок 3 (рис. 3.9б)
Наплавлення шириною 22мм, висотою 3,0-4,2мм; наплавлений метал щільний,
без пор і тріщин; структура наплавлення складається з α- твердого розчину та γ-
фази; перехідна зона має нерівномірну ширину 0,025-0,1 мм і складається із суміші
бронзи та сталі; структура основи складається з мартенситу, бейніту.
Значення мікротвердості НV 0,050 за характерними зонами наплавлення для
обох варіантів наплавлення наведені в табл. 3.4.
Таблиця 3.4 - Мікротвердість характерних зон наплавлення БрКМц3-1

64

Рис.3.9. Мікроструктура та характерні зони наплавлення БрКМц3-1; а - пряма
полярність струму, б - зворотна полярність струму
Зразок 2 (рис. 3.10а)
Наплавка виконана за один прохід на висоту 3,5–6,0 мм, шириною 22,5 мм;
метал наплавки без несплавлень, пор, плівок, тріщин; структура наплавки
складається з α-твердого розчину; перехідна зона має нерівномірну ширину 0,015–
0,125 мм зі структурою ячеїсто-дендритного характеру; структура основи також
складається з мартенситу та бейніту.
Зразок 4 (рис. 3.10б)
Наплавка виконана за один прохід на висоту 2,8–4,3 мм, шириною 20,5 мм;
метал наплавки без несплавлень, пор, плівок, тріщин; структура наплавки
аналогічна зразку 2, складається з α-твердого розчину; на лінії сплавлення
бронзової наплавки зі сталлю є типова перехідна зона шириною 0,005–0,01 мм зі
сталі з включеннями бронзи.
Значення мікротвердості HV 0,050 для характерних зон наплавки наведено в
табл. 3.5.
Таблиця 3.5 – Мікротвердість характерних зон наплавки БрАМц9-2.
65

Рис.3.10. Мікроструктура та характерні зони наплавлення БрАМц9-2; а –
пряма полярність струму, б - зворотна полярність струму
Встановлено, що застосування зворотної полярності струму на виявлених
величинах погонної енергії дозволяє отримати потрібні розміри перехідної зони,
при цьому наплавлений робочий шар бездефектний, твердість основи при цьому
збережена.
3.4. Дослідження коефіцієнта тертя робочої поверхні, виконаної з
бронз БрКМц3-1 та БрАМц9-2 плазмовим наплавленням на струмі зворотної
полярності
Випробування проводилися за методикою палець-диск [46]. Для випробувань
виготовлені зразки у вигляді диска з наплавленою поверхнею з бронзи, а також
пальці – хром. Зразки мають вигляд дисків і невеликих стрижнів, що називаються
пальцями. Зразки-пальці закріплюються на планшайбі в спеціальних тримачах
кількістю 3 шт., які розташовуються через 120° і спираються на сталевий зразок-
66

диск, який у свою чергу спирається через кульку на стійку. Завдяки такій
конструкції забезпечується рівномірний розподіл осьового навантаження по
пальцевих зразках. Навантаження на зразки здійснюється за допомогою важільного
пристрою та різноваг через вал, що проходить в опорі. Кінець вала через торцеву
шпонку з'єднується з планшайбою. Вал має можливість вільно переміщатися
вздовж опори [45-48].
У табл. 3.6 наведено зведені дані статичних і динамічних випробувань по всіх
проведених дослідах. При статичних випробуваннях наведені середні значення
коефіцієнтів тертя в період усталеного руху, тобто не враховувалися проміжки
часу, що відповідають пуску та зупинці [49-50]. Зразок 1 – бронза БрКМц9-2, зразок
2 – бронза БрАМц 9-2
Таблиця 3.6 – Дані статистичної обробки експериментальних значень
коефіцієнтів тертя пари хром – бронза Vск=1м/с та P=3 МПа
Вимірювання Wn, Δy
Зразок ��̅ Sn ����̅
1 2 3 % (α=0,95)
№1 0,68 0,67 0,63 0,66 0,03 4,12 0,02 0,07
№2 0,51 0,66 0,53 0,57 0,08 13,99 0,05 0,20
* коефіцієнт тертя хром - бронза у вихідному стані: 0.5

Рис.3.11. Значення коефіцієнтів тертя зразка диска №1 при швидкості
ковзання Vск = 1 м/с при тиску в контакті P = 3 МПа
67

Рис. 3.12. Значення коефіцієнтів тертя зразка диска №2 при швидкості
ковзання Vск = 1 м/с і тиску в контакті P = 3 МПа.

З результатів - можна виділити неоднорідну картину коефіцієнта тертя для
БрАМц9-2, що пов’язано з більш в’язким станом матеріалу через наявність у складі
Al. Проте значення коефіцієнтів тертя для бронз залишаються в межах,
характерних для матеріалу в початковому стані.
Висновок до розділу 3
1. Проведено дослідження варіантів плазмового наплавлення міді на
сталь при роботі плазмотрона на прямій та зворотній полярності струму. Вивчено
вплив полярності струму при наплавленні на величину перехідної зони;
2. При наплавленні на прямій полярності відсутні дефекти наплавленого
шару, розміри включень основного матеріалу не перевищують 0.01 мм. Розмір
перехідної зони, внаслідок нагріву становить 0.5 мм;
3. Використання струму зворотної полярності при плазмовому
наплавленні дозволяє наносити наплавлений шар без розплавлення основи, завдяки
цьому зона взаємного проникнення двох матеріалів мінімальна;
4. Плазмове наплавлення міді на сталі на струмі зворотної полярності
дозволяє в широких межах регулювати хімічний склад структуру та властивості
наплавленого шару; Встановлено, що за певних умов можливе створення
композитного наплавленого шару з високолегованої бронзи та рівномірно
розподілених в ній частинок сплаву, збагаченого тугоплавкими елементами.
68

5. Встановлено, що використання струму зворотної полярності дозволяє
знизити швидкість загальної корозії мідного шару відносно прямої полярності;
Показано, що дрібнодисперсні включення металу підкладки на зразку виконаного
з перемішуванням з основою не мають негативного впливу на корозійну стійкість
шару;
6. Проаналізовано технологічні рекомендації щодо отримання
бездефектної робочої поверхні з бронз БрКМц 3-1 та БрАМц9-2 на сталі
38Х2Н2МА. Встановлено, що застосування зворотної полярності струму дозволяє
зберігати значення твердості попередньо термообробленої основи після
проведення наплавлення та експериментально підтверджено, що коефіцієнт тертя
наплавленої робочої поверхні не поступається показнику для бронз у вихідному
стані.

69

Розділ 4 Охорона праці та безпека в НС
4.1 Вимоги охорони праці під час плазмового наплавлення
НПАОП 28.52-1.31-13. «Правила охорони праці під час зварювання металів»
встановлюють вимоги охорони праці під час електрозварювання металів, а саме:
− електродугового і плазмового зварювання, наплавлення, різання;
− атомно-водневого зварювання;
− електронно-променевого зварювання;
− лазерного зварювання і різання (зварювання і різання світловим
променем);
− електрошлакового зварювання, наплавлення;
− контактного зварювання.
Ці вимоги є обов’язковими для роботодавців та працівників, що виконують
роботи з електрозварювання металів.
Роботодавець забезпечує проведення попереднього (під час прийняття на
роботу) та періодичних (протягом трудової діяльності) медичних оглядів
працівників згідно з вимогами Порядку проведення медичних оглядів працівників
певних категорій, затвердженого наказом Міністерства охорони здоров`я України
від 21 травня 2007 року № 246, зареєстрованого у Міністерстві юстиції України 23
липня 2007 року за № 846/14113.
Працівники повинні проходити навчання і перевірку знань з питань охорони
праці відповідно до вимог Типового положення про порядок проведення навчання
і перевірки знань з питань охорони праці, затвердженого наказом Державного
комітету України з нагляду за охороною праці від 26 січня 2005 року № 15,
зареєстрованого в Міністерстві юстиції України 15 лютого 2005 року за №
231/10511 (НПАОП 0.00-4.12-05).
Працівники, що виконують електрозварювальні роботи на висоті, повинні
пройти навчання і перевірку знань відповідно до Правил охорони праці під час
виконання робіт на висоті, затверджених наказом Державного комітету України з
промислової безпеки, охорони праці та гірничого нагляду від 27 березня 2007 року
70

№ 62, зареєстрованих в Міністерстві юстиції України 4 червня 2007 року за №
573/13840 (далі - НПАОП 0.00-1.15-07).
Роботодавець опрацьовує і затверджує нормативні акти про охорону праці,
що діють на підприємстві, відповідно до Порядку опрацювання і затвердження
власником нормативних актів про охорону праці, що діють на підприємстві,
затвердженого наказом Державного комітету України по нагляду за охороною
праці від 21 грудня 1993 року № 132, зареєстрованого в Міністерстві юстиції
України 07 лютого 1994 року за № 20/229 (НПАОП 0.00-6.03-93).
Роботодавець повинен забезпечити стан пожежної безпеки відповідно до
вимог Правил пожежної безпеки в Україні, затверджених наказом Міністерства
України з питань надзвичайних ситуацій від 19 жовтня 2004 року № 126,
зареєстрованих у Міністерстві юстиції України 4 листопада 2004 року за №
1410/10009 (НАПБ А.01.001-04), ГОСТ 12.1.004-91 «ССБТ. Пожарная
безопасность. Общие требования» (далі - ГОСТ 12.1.004-91).
Для всіх приміщень, будинків та зовнішнього устаткування має бути
визначено категорію щодо вибухопожежної та пожежної небезпеки відповідно до
вимог Норм визначення категорій приміщень, будинків та зовнішніх установок за
вибухопожежною та пожежною небезпекою, затверджених наказом Міністерства
України з питань надзвичайних ситуацій та у справах захисту населення від
наслідків Чорнобильської катастрофи від 3 грудня 2007 року № 833 (НАПБ
Б.03.002-2007).
Експлуатацію вогнегасників необхідно здійснювати відповідно до
вимог Правил експлуатації вогнегасників, затверджених наказом Міністерства
України з питань надзвичайних ситуацій та у справах захисту населення від
наслідків Чорнобильської катастрофи від 2 квітня 2004 року № 152, зареєстрованих
у Міністерстві юстиції України 29 квітня 2004 року за № 555/9154 (НАПБ Б.01.008-
2004).
Роботодавець забезпечує проведення розслідування і ведення обліку
нещасних випадків, професійних захворювань і аварій згідно з Порядком
71

проведення розслідування та ведення обліку нещасних випадків, професійних
захворювань і аварій на виробництві, затвердженим постановою Кабінету
Міністрів України від 30 листопада 2011 року № 1232.
Роботодавець повинен забезпечити безпечну та надійну експлуатацію
виробничих будівель і споруд відповідно до Положення про безпечну та надійну
експлуатацію виробничих будівель і споруд, затвердженого наказом Державного
комітету будівництва, архітектури та житлової політики України і Державного
комітету України по нагляду за охороною праці від 27 листопада 1997 року №
32/288, зареєстрованого в Міністерстві юстиції України 6 липня 1998 року за №
424/2864 (НПАОП 45.23-4.01-98), та затвердженої у встановленому порядку
проектної документації.
Роботодавець повинен забезпечити працівників питною водою, якість якої
повинна відповідати Державним санітарним нормам та правилам «Гігієнічні
вимоги до води питної, призначеної для споживання людиною» (ДСанПіН 2.2.4-
171-10), затвердженим наказом Міністерства охорони здоров'я України від 12
травня 2010 року № 400, зареєстрованим у Міністерстві юстиції України 01 липня
2010 року за № 452/17747.
У виробничих приміщеннях зварювальних цехів, де проводяться роботи зі
шкідливими речовинами (кислотами, лугами), для промивання очей і шкіри
повинні бути передбачені душі і фонтанчики.
Оброблення поверхонь виробничих приміщень повинно унеможливлювати
накопичення пилу, поглинання парів та газів і дозволяти систематичне прибирання
поверхонь вологим способом.
Сигнальні кольори і знаки безпеки у виробничих і складських приміщеннях
повинні відповідати вимогам Технічного регламенту знаків безпеки і захисту
здоров’я працівників, затвердженого постановою Кабінету Міністрів України від
25 листопада 2009 року № 1262.
Освітлення робочих місць повинно відповідати проектній документації,
затвердженій в установленому порядку.
72

Аварійне освітлення, що вмикається автоматично в разі аварійного
вимкнення робочого освітлення, передбачається на робочих місцях, технологічних
ділянках, де неможливо негайно припинити роботи, і на ділянках, де раптове
припинення технологічного процесу пов’язане з небезпекою для життя людей або
великими економічними втратами.
Евакуаційне освітлення (для евакуації працівників із приміщення цеху) в разі
аварійного вимкнення робочого освітлення повинно забезпечувати освітленість
підлоги основних проходів і сходів.
Рециркуляція повітря в приміщеннях для зварювання металів не
дозволяється.
Аерація виробничих приміщень здійснюється шляхом відкривання вікон і
світлоаераційних ліхтарів, отворів вентиляційних шахт за інструкцією,
розробленою роботодавцем з урахуванням пори року і напрямків вітру, а також для
унеможливлення влучення шкідливих речовин з одного приміщення в суміжне
приміщення.
Виробниче устаткування і місця розкривання тари, які пов'язані з
застосуванням або утворенням шкідливих і вибухонебезпечних речовин, повинні
бути оснащені самостійними системами місцевої витяжної вентиляції.
Місцеві відсмоктувачі розташовуються таким чином, щоб повітря, що
відсмоктується, не проходило через зону дихання працівника.
Патрубки аварійної вентиляції не дозволяється розміщувати в місцях
постійного перебування працівників і розташування повітрозабірних пристроїв
систем вентиляції та кондиціонування повітря.
Увімкнення аварійної вентиляції повинно бути дистанційним.
Роботодавець забезпечує організацію контролю за роботою витяжних
вентиляційних пристроїв і систем сигналізації за затвердженим графіком, але не
рідше одного разу в квартал.
73

4.2 Вимоги безпеки до процесів при ручному дуговому зварюванні
Ручне дугове зварювання повинно здійснюватися на стаціонарних постах,
обладнаних пристроями місцевої витяжної вентиляції.
В разі унеможливлення виконувати зварювання металів на стаціонарних
постах для локального видалення пилу і газоподібних компонентів аерозолю від
зварювальної дуги повинні застосовуватися місцеві відсмоктувачі.
Робочі місця, розташовані на висоті понад 1,3 м від рівня землі або суцільного
перекриття, повинні бути обладнані відповідно до НПАОП 0.00-1.15-07.
Одночасна робота на різних висотах по одній вертикалі дозволяється за
наявності захисту працівників, які працюють на нижніх ярусах, від бризок металу,
випадкового влучення недогарків та інших предметів.
Не дозволяється розміщувати горючі матеріали в радіусі менше 5 м, а
вибухонебезпечні матеріали і устаткування (газогенератори, газові балони) - менше
10 м від місця проведення електрозварювальних робіт.
Не дозволяється зварювати посудини і трубопроводи, які знаходяться під
тиском, або містять рідини.
Під час виконання робіт зі зварювання металів усередині виробів,
розміщених у приміщенні, швидкість руху повітря на робочому місці повинна
становити 0,7-2,0 м/с. Температура повітря, що подається вентиляційними
установками, не повинна бути нижче 20 -0C.
Повітря, яке видаляється витяжними установками під час зварювання металів
усередині виробів, повинно відводитися за межі приміщення.
В разі унеможливлення улаштування місцевої витяжки або загального
вентилювання усередині ємностей необхідно передбачити примусове подавання
під маску зварника чистого повітря об’ємом 6-8 м-3/год, у холодний період року
чисте повітря повинно підігріватися до температури не нижче 18 -0C.
4.3 Вимоги безпеки до процесів зварювання у вуглекислому газі і
74

сумішах газів
Сопло тримача напівавтомата для зварювання в середовищі вуглекислого
газу повинно бути ізольоване від струмопровідної частини пальника.
У пальнику повинен бути передбачений додатковий вентиль для
перекривання газу після припинення процесу зварювання.
Експлуатація балонів, контейнерів зі зрідженим газом і рамп для
використання захисних газів з балонів повинна здійснюватися відповідно
до Технічного регламенту безпеки обладнання, що працює під тиском,
затвердженого постановою Кабінету Міністрів України від 19 січня 2011 року №
35.
Майданчик, де встановлюється контейнер (посудина-нагромаджувач) зі
зрідженим газом, повинен мати металеве огородження на відстані не менше одного
метра.
У разі використання в якості посудини-нагромаджувача транспортних
автоцистерн майданчик повинен бути обладнаний тельфером відповідної
вантажопідйомності для обслуговування автоцистерн.
Для захисту контейнера на відкритому повітрі від прямих сонячних променів
і опадів контейнер повинен встановлюватися під навісом.
4.4 Вимоги безпеки до процесів зварювання під час роботи з
вуглекислим газом
Температура повітря в приміщенні для роботи з вуглекислим газом не
повинна перевищувати 25 -0C.
На майданчику подавання захисного газу до зварювальних постів повинно
бути не більше 20 балонів. В разі заміни порожніх балонів на заповнені необхідно
закривати вентилі використаних балонів і колектора. Не дозволяється пропускання
газу в місцях з'єднань.
Усунення нещільностей необхідно здійснювати при закритих вентилях
балонів за відсутності в системі тиску.
75

На майданчику подавання захисного газу не дозволяється розміщувати
сторонні предмети і горючі речовини.
У разі централізованого постачання на зварювальні пости вуглекислого газу
від контейнерів або рампової системи підігрівання трубопроводів повинно
здійснюватися гарячою водою або парою.
Не дозволяється під час відбирання газу з контейнера проводити ремонтні
операції, відігрівати труби й апарати відкритим вогнем, здійснювати різкі перегини
гнучких сполучних шлангів, підтягувати з'єднання під тиском.
Під час зварювання на відкритих майданчиках (поза виробничим
приміщенням) взимку балони з вуглекислим газом для запобігання замерзанню
повинні встановлюватися в спеціальних утеплених приміщеннях.
Не дозволяється відігрівати замерзлий балон (або редуктор) з вуглекислим
газом полум'ям пальника, струменем пари.
Для відігрівання балона з вуглекислим газом (або редуктора) необхідно
припинити відбирання газу з балона, внести його в тепле приміщення з
температурою 20-25 -0C і залишити його для відігрівання.
Дозволяється відігрівати замерзлий редуктор водою з температурою не
більше 25 -0C.
Не дозволяється розбирати і виконувати ремонт вентилів балонів і редукторів
на робочому місці.
Для запобігання замерзанню балона з вуглекислим газом в редукторі в
зимовий період перед редуктором повинен бути встановлений підігрівач.
4.5 Вимоги безпеки до процесів зварювання в інертних газах
Зварювання металів в інертних газах повинно виконуватися плавкимита
неплавкими (вольфрамовими) електродами.
Під час виконання зварювання металів в інертних газах для збудження дуги
повинно використовуватися джерело живлення з підвищеною напругою холостого
ходу або додаткове джерело живлення з високою напругою (осцилятор) для
забезпечення стабільності дугового розряду.
76

Електропроводи і трубки для газу і води, які з’єднують пістолет-пальник із
шафою з електроапаратурою, повинні мати достатню гнучкість.
Гнучкий металевий шланг для направлення зварювального дроту з касети в
пістолет-пальник шлангового напівавтомата повинен бути покритий
електроізоляційним матеріалом.
4.6 Вимоги безпеки до процесів зварювання на поточно-механізованих і
конвеєрних лініях
Роботи зі зварювання металів на потокових лініях дозволяється проводити як
на постійних робочих місцях зі стаціонарними автоматичними і
напівавтоматичними зварювальними машинами, так і на тимчасових робочих
місцях, створених для виконання короткочасних операцій.
Організація виконання зварювальних робіт на потокових механізованих і
конвеєрних лініях повинна відповідати ГОСТ 12.2.022-80 «ССТБ. Конвейеры.
Общие требования безопасности», ГОСТ 12.2.032-78 «ССБТ. Рабочее место при
выполнении работ сидя. Общие эргономические требования» (далі - ГОСТ
12.2.032-78), ГОСТ 12.2.033-78 «ССБТ. Рабочее место при выполнении работ стоя.
Общие эргономические требования» (далі - ГОСТ 12.2.033-78).
Зварювальні роботи на потокових лініях повинні виконуватися згідно з ГОСТ
12.1.004-91, ГОСТ 12.3.003-86.
Для автоматизованих процесів зварювання, які супроводжуються
утворенням шкідливих аерозолів, газів і випромінювань, що перевищують
допустимі концентрації і рівні, необхідно передбачати дистанційне керування.
Видаляти шкідливі пилогазовиділення необхідно за допомогою пристроїв
місцевої вентиляції.
Для роботи в аварійних умовах повинно бути передбачене роздільне
керування зварювальними і підіймальнотранспортними операціями на лініях.
Робоче місце працівника-оператора об'єднаного пульта повинно бути
обладнано кріслом, конструкція якого відповідає ГОСТ 21889-76 «Система
«человек-машина». Кресло человека-оператора. Общие эргономические
77

требования», або сидіннями зі спинками, виготовленими з нетеплопровідних
матеріалів.
Для захисту працівників на суміжних робочих місцях від небезпечних
чинників, що супроводжують зварювання, ділянки зварювання металів повинні
бути огороджені негорючими перегородками або конструкціями порталів,
консолей.
Відстань до проходів від місця зварювання повинна бути не менше 5 м для
захисту сторонніх працівників від випромінювання зварювальної дуги. В разі
унеможливлення виконання зазначених вимог біля місця зварювання повинні бути
встановлені перегородки або ширми з негорючого матеріалу.
4.7 Вимоги до робочих місць
Розміщення виробничого устаткування і організація робочих місць у
складально-зварювальних цехах і на ділянках повинні відповідати ГОСТ 12.2.061-
81 «ССБТ. Оборудование производственное. Общие требования безопасности к
рабочим местам».
Постійне робоче місце зварника повинно бути обладнане раціонально
улаштованим столом та пристосуваннями для утримання і переміщення
оброблюваного виробу відповідно до ГОСТ 12.2.049-80 «ССБТ. Оборудование
производственное. Общие эргономические требования» та ГОСТ 12.2.003-91,
забезпечувати зручне положення працівника, а при зварюванні або ручному різанні
дрібних деталей - уможливлювати роботу працівника сидячи відповідно до ГОСТ
12.2.032-78.
На стаціонарних робочих місцях електрозварників, різальників
встановлюється стійка з гачком або вилкою для підвішування погашених пальників
або різаків під час перерви у роботі. На тимчасових робочих місцях погашені
пальники або різаки дозволяється підвішувати на частини оброблюваної
конструкції (кронштейни, мірні пристрої тощо).
78

На кожне стаціонарне робоче місце працівника з електрозварювальних робіт,
крім площі, займаної устаткуванням і проходами, повинно бути відведено не
менше 4,5 м-2.
На стаціонарних робочих місцях відповідно до ГОСТ 12.2.033-78 у
положенні «стоячи» повинні використовуватися спеціальні підставки (підвіски)
для зменшення статичного навантаження на руки працівника.
Не дозволяється полегшувати навантаження на руку працівника
перекиданням шланга (кабелю) через плече або навиванням його на руку
працівника.
Для захисту працівників, що працюють поруч або нижче ярусом, повинні
бути передбачені захисні огородження від випромінювань, іскор і бризок
розплавленого металу, випадкового падіння недогарків електродів відповідно до
ГОСТ 12.2.062-81 «ССБТ. Оборудование производственное. Ограждения
защитные».
Під час зварювання металів відкритою дугою робочі місця у приміщенні
повинні бути відділені від суміжних робочих місць і проходів негорючими
екранами (ширмами, щитами) заввишки не менше 1,8 м. При зварюванні на
відкритому повітрі захисні огородження повинні бути встановлені на відстані не
менше 2 м в разі одночасної роботи декількох працівників поблизу один одного і
на ділянках інтенсивного руху людей.
Вимоги до режимів роботи, порядку обслуговування устаткування в
звичайних умовах експлуатації і в аварійній ситуації встановлюються
роботодавцем відповідно до Інструкції з організації безпечного ведення вогневих
робіт на вибухопожеженебезпечних та вибухонебезпечних об’єктах, затвердженої
наказом Міністерства праці та соціальної політики України від 5 червня 2001 року
№ 255, зареєстрованої в Міністерстві юстиції України 23 червня 2001 року за №
541/5732 (НПАОП 0.00-5.12-01).
79

За наявності в стаціонарних зварювальних машинах більше одного органа
керування одним параметром повинно унеможливлюватися одночасне керування
цим параметром з різних постів.
Органи керування, які здійснюють увімкнення і зупинення процесу
теплового різання, повинні відповідати вимогам безпеки згідно з ГОСТ 22613-77
«Система «человек-машина». Выключатели и переключатели поворотные. Общие
эргономические требования» та ГОСТ 22615-77 «Система «человек-машина».
Выключатели и переключатели типа «Тумблер». Общие эргономические
требования».
Керування і контролювання роботи напівавтоматичних і автоматичних
плазмових стаціонарних і переносних машин повинні здійснюватися дистанційно.
У разі монтажу і ремонту посудин дозволяється проводити зварювання при
температурі навколишнього повітря нижче 0 0С за умов дотримання вимог,
передбачених в технічних умовах або інструкціях з монтажу і ремонту посудин.
Усувати несправності в зварювальній машині, плазмотроні, заміняти деталі
плазмотрона, що вийшли з ладу, дозволяється тільки при відімкненому живленні
установки і тільки працівникам, які обслуговують цю установку і мають групу з
електробезпеки відповідно до Правил безпечної експлуатації електроустановок
споживачів, затверджених наказом Комітету по нагляду за охороною праці
Міністерства праці та соціальної політики України від 9 січня 1998 року № 4,
зареєстрованих у Міністерстві юстиції України 10 лютого 1998 року за № 93/2533
(НПАОП 40.1-1.21-98).
Під час запалювання «чергової дуги» отвір сопла повинен бути направлений
убік від працівників, які знаходяться поруч.
Запалювання «чергової дуги» замиканням повинно виконуватися за
допомогою спеціального пристрою з ізольованою ручкою завдовжки не менше 150
мм.
80

На робочому місці під ногами працівника повинен бути розташований килим
гумовий діелектричний відповідно до ГОСТ 12.4.124-83 «ССБТ. Средства защиты
от статического электричества. Общие технические требования».
На ділянці лазерного зварювання і різання металів повинен знаходитися план
розміщення установок з позначенням лазерної небезпечної зони.
Контроль за лазерним випромінюванням на робочих місцях здійснюється
відповідно до ГОСТ 12.1.031-81 «ССБТ. Лазеры. Методы дозиметрического
контроля лазерного излучения».
Вибухонебезпечні електронно-променеві установки повинні бути розміщені
в ізольованих та обладнаних припливно-витяжною вентиляцією виробничих
приміщеннях.
Приготування клеїв, паст, герметиків і нанесення їх на зварювані деталі
повинні здійснюватися у виділених для цього приміщеннях.
Дозволяється виконувати нанесення клеїв, паст, герметиків у приміщенні
складально-зварювального цеху на спеціальній ділянці, на якій передбачені заходи
щодо запобігання вибуху і поширенню пожежі.
Об'ємно-планувальні рішення приміщень для зварювання металів в
середовищі захисних газів повинні унеможливлювати проникнення цих газів у
суміжні і нижче розташовані приміщення, а також скупчення газів у застійних
зонах.
Для видалення зварювального пилу і газів влаштовується місцева вентиляція
безпосередньо біля місця їх утворення.
Пости електрошлакового зварювання повинні бути обладнані місцевою
витяжною вентиляцією.
Над зварюваними виробами в зоні максимального виділення зварювального
аерозолю і газів швидкість видалення забрудненого повітря повинна бути не менше
1,5 м/с.
Видалення пилу і газів, що утворюються під час автоматичного і
напівавтоматичного зварювання під флюсом, здійснюється місцевими
81

відсмоктувачами, розташованими безпосередньо біля місця зварювання над
зварним швом.
Для зниження температури поверхонь обладнання і зменшення ступеня
нагріву повітря на робочих місцях повинні бути передбачені теплоізоляційні
пристрої відповідно до ДСТУ 2894-94.

82

Загальні висновки
1. Встановлено закономірності теплопередачі в виріб від плазмового
потоку та від анодної і катодної області дуги при плазмовій обробці на струмі
прямої та зворотної полярності, встановлено принципову відмінність механізму
теплопередачі в виріб при роботі на прямій і зворотній полярності струму;
2. Показано можливість управління теплопередачею в виріб при
використанні струму зворотної полярності, за рахунок зміни ширини зони
блукання нестаціонарних катодних плям;
3. Відтворено динамічну модель теплових процесів при плазмовому
наплавленні на струмі прямої та зворотної полярності та проведено її чисельну
реалізацію для сталі 10Х18Н10Т;
4. Показано, що при плазмовому наплавленні на струмі зворотної
полярності однорідних шаруватих матеріалів з високолегованої сталі 10Х18Н10Т
по відношенню до плазмового наплавлення на прямій полярності забезпечується
бездефектна, більш сприятлива структура матеріалу і більш високі механічні
характеристики, ударна в'язкість та корозійна стійкість зростає на 10-12%;
5. Показано, що плазмове наплавлення на струмі зворотної полярності
шаруватого матеріалу 10Х18Н10Т+06Х15Н60М15 забезпечує показники
механічних властивостей з високим тимчасовим опором (540,4 МПа) при
збереженні високої межі текучості (395,8 МПа);
6. При плазмовому наплавленні міді на зворотній полярності, вдається
отримати бездефектні шари з мінімальним перемішуванням з основним
матеріалом, зона взаємного перемішування становить до 0,3мм. На прикладі
плазмового наплавлення на струмі зворотної полярності міді на підшар зі сплаву
30Х15Н35В5Б5Т показано можливість отримання шаруватих матеріалів зі
складною структурою, поліпшеними показниками твердості та підвищеними
корозійними властивостями, завдяки рівномірно розподіленим в матриці
карбідним включенням (Ni, W, Nb, Ti);
83

7. В роботі встановлено, що застосування зворотної полярності струму
дозволяє виробляти плазмове наплавлення бронз БрКМц3-1 і БрАМц9-2 на сталь
38Х2Н2МА із забезпеченням перехідної зони менше 0,1мм, коефіцієнта тертя не
більше 0,4 при збереженні характеристик основи.

84

Список використаної літератури
1. Messler R. W. Principles of Welding: Processes, Physics, Chemistry, and
Metallurgy. Weinheim: Wiley-VCH, 1999. 662 p.
2. Kou S. Welding Metallurgy. 2nd ed. Hoboken, NJ: Wiley-Interscience, 2003.
461 p.
3. Lippold J. C. Welding Metallurgy and Weldability. Hoboken, NJ: Wiley, 2015.
408 p.
4. Cary H. B., Helzer S. C. Modern Welding Technology. 6th ed. Upper Saddle
River, NJ: Pearson Education, 2005. 736 p.
5. Lancaster J. F. The Physics of Welding. 2nd ed. Oxford: Pergamon Press, 1986.
340 p.
6. Kazakov N. F. Diffusion Bonding of Materials. Oxford: Pergamon Press, 1985.
256 p.
7. ASM Handbook. Vol. 6: Welding, Brazing, and Soldering. Materials Park, OH:
ASM International, 1993. 1221 p.
8. Davis J. R. Welding: Principles and Applications. Materials Park, OH: ASM
International, 1993. 662 p.
9. Thomas W. M., Nicholas E. D., Needham J. C. et al. Friction stir butt welding:
International patent application PCT/GB92/02203, WO 93/10935, 1993.
10. Paton B. E. The present state and prospects of welding science and technology.
The Paton Welding Journal. 1999. No. 1. P. 2-8.
11. Сидоренко М. Г., Бернацький А. В. Технології зварювання та споріднені
85

процеси: навч. посіб. Київ: КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2021. 308 с.
12. ДСТУ ISO 4063:2015. Зварювання та споріднені процеси. Перелік
процесів і умовні познаки (ISO 4063:2009, IDT). Київ: ДП «УкрНДНЦ», 2016.
13. ДСТУ EN ISO 4063:2022. Зварювання, твердопаяння, паяння м’яким
припоєм і різання. Перелік процесів і умовні познаки (EN ISO 4063:2021, IDT; ISO
4063:2021, IDT). Київ: ДП «УкрНДНЦ», 2023.
14. Лобанов Л. М., Новомлинець О. П., Піскунов Г. С. Зварювання та
споріднені технології в машинобудуванні: навч. посіб. Київ: НТУУ «КПІ», 2016.
304 с.
15. Махненко В. І. Розрахункові методи в зварюванні: навч. посіб. Київ:
Екотехнологія, 2000. 280 с.
16. Dupont J. N., Lippold J. C., Kiser S. D. Welding Metallurgy and Weldability
of Nickel-Base Alloys. Hoboken, NJ: Wiley, 2009. 456 p.
17. Mathers G. The Welding of Aluminium and Its Alloys. Cambridge: Woodhead
Publishing, 2002. 264 p.
18. Cary H. B. Arc Welding Automation. 2nd ed. New York: CRC Press, 1995. 320
p.
19. Steen W. M., Mazumder J. Laser Material Processing. 4th ed. London:
Springer, 2010. 558 p.
20. Ready J. F. Industrial Applications of Lasers. 2nd ed. San Diego: Academic
Press, 1997. 599 p.
21. Pawlowski L. The Science and Engineering of Thermal Spray Coatings. 2nd
86

ed. Chichester: Wiley, 2008. 626 p.
22. Bose S. High Temperature Coatings. Oxford: Butterworth-Heinemann, 2007.
416 p.
23. Davis J. R. Surface Hardening of Steels: Understanding the Basics. Materials
Park, OH: ASM International, 2002. 364 p.
24. Holmberg K., Matthews A. Coatings Tribology: Properties, Mechanisms,
Techniques and Applications in Surface Engineering. 2nd ed. Amsterdam: Elsevier,
2009. 560 p.
25. Hutchings I., Shipway P. Tribology: Friction and Wear of Engineering
Materials. 2nd ed. Oxford: Butterworth-Heinemann, 2017. 420 p.
26. Totten G. E. Steel Heat Treatment: Metallurgy and Technologies. 2nd ed. Boca
Raton: CRC Press, 2006. 888 p.
27. Callister W. D., Rethwisch D. G. Materials Science and Engineering: An
Introduction. 10th ed. Hoboken, NJ: Wiley, 2018. 960 p.
28. ASM Handbook. Vol. 4A: Steel Heat Treating Fundamentals and Processes.
Materials Park, OH: ASM International, 2013. 819 p.
29. ASM Handbook. Vol. 5: Surface Engineering. Materials Park, OH: ASM
International, 1994. 2055 p.
30. Ocelík V., De Hosson J. T. M. Thick metallic coatings produced by coaxial
laser cladding. Surface and Coatings Technology. 2010. Vol. 204, No. 20. P. 3191-3196.
31. Toyserkani E., Khajepour A., Corbin S. Laser Cladding. Boca Raton: CRC
Press, 2005. 248 p.
87

32. Dahotre N. B., Harimkar S. P. Laser Fabrication and Machining of Materials.
New York: Springer, 2008. 504 p.
33. Duley W. W. Laser Welding. New York: Wiley, 1999. 238 p.
34. Zhang Y. M. Advanced Welding Processes. Cambridge: Woodhead Publishing,
2012. 520 p.
35. Fahrenwaldt H. J. Practical Welding Technology. 5th ed. Clifton Park, NY:
Delmar, 2004. 624 p.
36. O'Brien R. L. Welding Handbook. Vol. 1: Welding Science and Technology.
9th ed. Miami, FL: American Welding Society, 2001. 846 p.
37. O'Brien R. L. Welding Handbook. Vol. 2: Welding Processes. 9th ed. Miami,
FL: American Welding Society, 2004. 684 p.
38. O'Brien R. L. Welding Handbook. Vol. 3: Materials and Applications. 8th ed.
Miami, FL: American Welding Society, 1996. 608 p.
39. ASM Handbook. Vol. 9: Metallography and Microstructures. Materials Park,
OH: ASM International, 2004. 1145 p.
40. Porter D. A., Easterling K. E., Sherif M. Y. Phase Transformations in Metals
and Alloys. 3rd ed. Boca Raton: CRC Press, 2009. 520 p.
41. Bhadeshia H. K. D. H., Honeycombe R. Steels: Microstructure and Properties.
4th ed. Oxford: Butterworth-Heinemann, 2017. 360 p.
42. ASTM E3-11(2017). Standard Guide for Preparation of Metallographic
Specimens. West Conshohocken, PA: ASTM International, 2017.
43. ASTM E407-07(2015). Standard Practice for Microetching Metals and Alloys.
88

West Conshohocken, PA: ASTM International, 2015.
44. ASTM E8/E8M-21. Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic
Materials. West Conshohocken, PA: ASTM International, 2021.
45. ISO 6892-1:2019. Metallic materials - Tensile testing - Part 1: Method of test
at room temperature. Geneva: ISO, 2019.
46. ISO 6892-2:2018. Metallic materials - Tensile testing - Part 2: Method of test
at elevated temperature. Geneva: ISO, 2018.
47. ISO 643:2019. Steels - Micrographic determination of the apparent grain size.
Geneva: ISO, 2019.
48. ASTM E112-13(2021). Standard Test Methods for Determining Average Grain
Size. West Conshohocken, PA: ASTM International, 2021.
49. ASTM E384-22. Standard Test Method for Microindentation Hardness of
Materials. West Conshohocken, PA: ASTM International, 2022.
50. ISO 6507-1:2023. Metallic materials - Vickers hardness test - Part 1: Test
method. Geneva: ISO, 2023.
51. ASTM G65-16e1. Standard Test Method for Measuring Abrasion Using the
Dry Sand/Rubber Wheel Apparatus. West Conshohocken, PA: ASTM International,
2016.
52. ASTM G99-17. Standard Test Method for Wear Testing with a Pin-on-Disk
Apparatus. West Conshohocken, PA: ASTM International, 2017.
53. ISO 12108:2023. Metallic materials - Fatigue testing - Fatigue crack growth
method. Geneva: ISO, 2023.
89

54. ISO 8044:2020. Corrosion of metals and alloys - Basic terms and definitions.
Geneva: ISO, 2020.
55. ASTM G1-03(2017). Standard Practice for Preparing, Cleaning, and Evaluating
Corrosion Test Specimens. West Conshohocken, PA: ASTM International, 2017.
56. Fontana M. G. Corrosion Engineering. 3rd ed. New York: McGraw-Hill, 1986.
556 p.
57. Uhlig H. H., Revie R. W. Corrosion and Corrosion Control. 4th ed. Hoboken,
NJ: Wiley, 2008. 512 p.
58. Davis J. R. Corrosion of Weldments. Materials Park, OH: ASM International,
2006. 304 p.
59. Stress corrosion cracking: theory and practice / ed. by V. S. Raja, T. Shoji.
Cambridge: Woodhead Publishing, 2011. 640 p.
60. Residual stress measurement and the slitting method / ed. by M. B. Prime, M.
R. Hill. New York: Springer, 2006. 256 p.
61. Fitzpatrick M. E., Lodini A. Analysis of Residual Stress by Diffraction Using
Neutron and Synchrotron Radiation. London: Taylor & Francis, 2003. 368 p.
62. Noyan I. C., Cohen J. B. Residual Stress: Measurement by Diffraction and
Interpretation. New York: Springer, 1987. 276 p.
63. Masubuchi K. Analysis of Welded Structures: Residual Stresses, Distortion,
and Their Consequences. Oxford: Pergamon Press, 1980. 640 p.
64. Radaj D. Heat Effects of Welding: Temperature Field, Residual Stress,
Distortion. Berlin: Springer-Verlag, 1992. 348 p.
65. Lindgren L.-E. Numerical modelling of welding. Computer Methods in Applied
Mechanics and Engineering. 2006. Vol. 195, No. 48-49. P. 6710-6736.
66. Goldak J., Akhlaghi M. Computational Welding Mechanics. New York:
Springer, 2005. 322 p.
90

67. DebRoy T., Bhadeshia H. K. D. H. Friction stir welding of dissimilar alloys - a
perspective. Science and Technology of Welding and Joining. 2010. Vol. 15, No. 4. P.
266-270.
68. Kwon Y. J., Shigematsu I., Saito N. Mechanical properties of fine-grained
aluminium alloy produced by friction stir process. Scripta Materialia. 2003. Vol. 49, No.
8. P. 785-789.
69. Threadgill P. L., Leonard A. J., Shercliff H. R., Withers P. J. Friction stir
welding of aluminium alloys. International Materials Reviews. 2009. Vol. 54, No. 2. P.
49-93.
70. Mishra R. S., Ma Z. Y. Friction stir welding and processing. Materials Science
and Engineering: R: Reports. 2005. Vol. 50, No. 1-2. P. 1-78.
71. DebRoy T., Wei H. L., Zuback J. S. et al. Additive manufacturing of metallic
components - process, structure and properties. Progress in Materials Science. 2018. Vol.
92. P. 112-224.
72. Kaplan A. F. H., Powell J. Laser welding of dissimilar materials. Journal of
Laser Applications. 2011. Vol. 23, No. 2. P. 022001.
73. Sun Z., Ion J. C. Laser welding of dissimilar metal combinations. Journal of
Materials Science. 1995. Vol. 30. P. 4205-4214.
74. Messler R. W. Joining of Materials and Structures: From Pragmatic Process to
Enabling Technology. Burlington, MA: Elsevier, 2004. 816 p.
75. Modern Tribology Handbook / ed. by B. Bhushan. Boca Raton: CRC Press,
2000. 1760 p.
76. Blau P. J. Friction Science and Technology: From Concepts to Applications.
2nd ed. Boca Raton: CRC Press, 2008. 971 p.
77. ASM Handbook. Vol. 18: Friction, Lubrication, and Wear Technology.
Materials Park, OH: ASM International, 2017. 1041 p.
78. ISO 7148-1:2012. Plain bearings - Testing of the tribological behavior of
bearing materials - Part 1: Basic requirements. Geneva: ISO, 2012.
79. ДСТУ 8302:2015. Інформація та документація. Бібліографічне посилання.
91

Загальні положення та правила складання. Київ: ДП «УкрНДНЦ», 2016.
80. ДСТУ 3008:2015. Інформація та документація. Звіти у сфері науки і
техніки. Структура та правила оформлювання. Київ: ДП «УкрНДНЦ», 2016.
81. ДСТУ 4163:2020. Державна уніфікована система документації. Вимоги до
оформлення документів. Київ: ДП «УкрНДНЦ», 2021.
82. ISO 2553:2019. Welding and allied processes - Symbolic representation on
drawings - Welded joints. Geneva: ISO, 2019.
83. ISO 5817:2023. Welding - Fusion-welded joints in steel, nickel, titanium and
their alloys - Quality levels for imperfections. Geneva: ISO, 2023.
84. ISO 6520-1:2007. Welding and allied processes - Classification of geometric
imperfections in metallic materials - Part 1: Fusion welding. Geneva: ISO, 2007.
85. ISO 17637:2016. Non-destructive testing of welds - Visual testing of fusion-
welded joints. Geneva: ISO, 2016.
86. ISO 15614-1:2017. Specification and qualification of welding procedures for
metallic materials - Welding procedure test - Part 1: Arc and gas welding of steels and
arc welding of nickel and nickel alloys. Geneva: ISO, 2017.
87. Методичні рекомендації до підготовки, написання та захисту
кваліфікаційної роботи для здобувачів освітнього рівня «магістр» за спеціальністю
131 «Прикладна механіка», освітні програми «Технології машинобудування» та
«Обробка металів за спецтехнологіями» усіх форм навчання [Електронне видання]
/ уклад.: Г. В. Канашевич, О. О. Коваленко, Є. В. Хижняк. Черкаси: ЧДТУ, 2023.

ChSTU repository

ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets