Лазерная наплавка против твердого хромирования для гидравлических цилиндров и штоков

Термонапыление методом HVOF

Высокоскоростное газопламенное напыление (HVOF) распыляет полурасплавленный порошок со сверхзвуковой скоростью для создания механически связанного покрытия. Тепловой вклад в подложку очень низок, что привлекательно для тонкостенных или термочувствительных деталей, а карбидные и легированные порошки, не содержащие Cr(VI), широко доступны. Ограничениями являются прочность сцепления и достижимая толщина: покрытия HVOF обычно имеют толщину 0,1–0,5 мм и плохо выдерживают высокие контактные напряжения, поэтому они лучше подходят для эксплуатации в условиях износа и коррозии, чем для точечных нагрузок.[ИСТОЧНИК: технический паспорт поставщика покрытия]

Химическое никелирование

Химическое никелирование заслуживает простого пояснения: это не износостойкое покрытие того же класса, что и наплавлённое. Но если причиной разрушения является коррозия, а не абразивный износ, и нагрузки невелики, это может быть самым дешёвым и правильным решением — оно равномерно заполняет углубления, не требует электрического контакта и часто не нуждается в последующей механической обработке. Рекомендация этого метода, когда он подходит, — вот что отличает техническое руководство от рекламной страницы.

Лазерная наплавка против твердого хромирования: измеримые различия.

Твердое хромирование — это тонкое, твердое покрытие, получаемое при комнатной температуре; лазерная наплавка — более толстое покрытие, металлургически связанное и получаемое при высокой температуре. Эти четыре различия — толщина, тип соединения, температура и механизм затвердевания — объясняют почти все практические преимущества и недостатки каждого процесса.

Прочность сцепления и пористость

Электролитическое твердое хромирование обеспечивает адгезию без расплавления подложки, а характерные наплавленные покрытия содержат сеть микротрещин, которая способствует распределению напряжений, но также создает пути для коррозии. Наплавление сопряжено с риском водородного охрупчивания высокопрочных сталей, поэтому для высокопрочных деталей с наплавленным покрытием обычно требуется этап термической обработки после нанесения покрытия. Лазерная наплавка образует металлургическую связь, поэтому характерным видом разрушения является не расслоение, а разбавление. Ни одно из этих утверждений не следует принимать на основании одной лишь технической документации: запросите результаты испытаний на прочность сцепления или сдвиг, металлографическое поперечное сечение и результаты капиллярной дефектоскопии, а критерии приемки укажите в заказе на покупку. Растрескивание в наплавленном слое имеет свои собственные причины и должно диагностироваться отдельно от пористости — см.Почему трескаются накладные покрытия.

Достижимая твердость и износостойкость

Электролитическое твердое хромовое покрытие обычно имеет твердость в диапазоне 800–1000 HV на поверхности, представляя собой тонкий и сравнительно хрупкий слой.[ИСТОЧНИК: Спецификация покрытия или опубликованные стандарты]Среди сплавов для наплавки можно выделить кобальтовые (типа стеллита), никелевые и железосодержащие системы, а также доступны марки, упрочненные карбидами. Практические значения твердости наплавленного слоя обычно находятся в диапазоне 20–60 HRC в зависимости от выбранного сплава. Выбор между ними — это вопрос как механизма износа, так и твердости (см.выбор сплавов для упрочнения наплавки.[ИСТОЧНИК: техническая документация на порошковый сплав]

Главное замечание редактора: твердость поверхности сама по себе не предсказывает износостойкость. Покрытие с твердостью 55 HRC и гальваническое покрытие с твердостью 55 HRC изнашиваются по-разному, поскольку износостойкость зависит от микроструктуры, доли карбидов и контрповерхности в той же степени, что и от их количества. Сравнивайте при одинаковой твердости и одинаковой толщине слоя, иначе сравнение ничего не значит.

Предельные значения толщины слоя

Наибольшее практическое значение для изношенного стержня имеет толщина слоя. Экономически целесообразнее использовать тонкие покрытия; нанесение толстых слоев — медленный, дорогостоящий процесс, увеличивающий риск растрескивания и отслаивания. Нанесение покрытия толщиной 0,5–3 мм меняет стратегию ремонта: вместо защиты поверхности теперь требуется восстановление геометрии.[ИСТОЧНИК: технологическая карта или данные производителя оборудования]Стержень, диаметр которого на 0,8 мм меньше номинального, невозможно восстановить до номинального размера путем хромирования по коммерческим ценам, но его можно восстановить путем наплавки, а затем обработать до нужного размера. В случаях, когда требуется восстановление размеров, наплавка не относится к той же категории.

Контроль разбавления как определяющая переменная

Степень разбавления — это доля металла подложки, расплавленного в наплавленном слое, выраженная в процентах от толщины наплавленного слоя. Это определяющий фактор, поскольку он определяет, будет ли наплавленный слой вести себя как заданный вами сплав или как разбавленный компромиссный вариант с другой твердостью и коррозионной стойкостью. При лазерной наплавке степень разбавления обычно низкая, исчисляемая однозначными числами, поскольку расплавленная ванна невелика, а подвод тепла контролируется. В каждой спецификации наплавки должен быть указан предел разбавления и метод проверки;коэффициент разбавления в твердом покрытии из ПТАявляется полезной отправной точкой для определения и проверки этого числа.[ИСТОЧНИК: технологическая карта или опубликованные данные по разведению]

Подвод тепла и закалка подложки

Это наименее обсуждаемый компромисс в этом сравнении. Нанесение покрытия — это холодный процесс; наплавка — нет. На высокопрочном стальном прутке локальный нагрев может закалить подложку под слоем покрытия и снизить ее прочность там, где это наиболее важно, а дифференциальное термическое расширение может деформировать длинную тонкую деталь. Оба процесса управляемы — с помощью предварительного нагрева, контроля температуры между проходами, последовательности сварки, контролируемого охлаждения и в некоторых случаях термообработки после сварки — но их необходимо заложить в технологический процесс, а не выявлять постфактум. Если поставщик не может сообщить вам максимальную температуру между проходами для вашего материала прутка, это говорит о том, применял ли он этот метод раньше.

Чистота поверхности и последующая обработка

Оба процесса позволяют добиться требуемой для гидравлического стержня гладкости и круглости, но методика различается. Хромированный стержень шлифуется и полируется после нанесения покрытия с небольшим припуском. Стержень с покрытием необходимо сначала обточить, а затем отшлифовать, при этом в наплавленный слой заложен припуск на механическую обработку — обычно порядка 0,3–0,8 мм в зависимости от слоя и используемого инструмента. Это существенные затраты и значительное увеличение сроков выполнения заказа. Заложите это в бюджет с самого начала.[ИСТОЧНИК: припуск на механическую обработку, измеренный на готовом изделии]

Сколько стоит лазерная наплавка по сравнению с хромированием?

Стоимость одной детали за один интервал обслуживания — вот что определяет цену, а не цена за килограмм расходного материала или за квадратный метр покрытия. Более дешевый процесс, требующий второго ремонта в течение того же интервала, будет более дорогим.

Что следует включить в модель

В расчет необходимо включить восемь элементов, и исключение любого из них благоприятствует тому процессу, который вы исключили меньше всего:

• Удаление или снятие существующего слоя
• Время подготовки, включая предварительный нагрев и ожидание между проходами.
• Стоимость расходных материалов — порошок или проволока, либо химические составы для гальванического покрытия и аноды.
• Время обработки до достижения окончательных размеров и качества поверхности
• Проверка и документирование
• Стоимость доставки и время обработки заказа
• Стоимость простоя измеряется на уровне оборудования, а не в цехе.
• Ожидаемый интервал технического обслуживания до следующего ремонта

Пример расчета: Гидравлический шток диаметром 200 мм и длиной 2000 мм.

Возьмем цилиндрический шток для прокатного стана диаметром 200 мм и длиной 2000 мм, изношенный на 0,6 мм меньше стандартного размера и имеющий кольцевые задиры.

Структура проста. Стоимость нанесения покрытия рассчитывается исходя из площади и толщины удаленного материала, а низкий предел толщины означает, что оно может устранить лишь часть износа. Стоимость облицовки рассчитывается исходя из объема наплавленного материала, необходимого для восстановления геометрии, плюс стоимость механической обработки для придания ей нужной формы. Пропустите оба варианта через приведенную выше восьмиэлементную модель в течение ожидаемого интервала обслуживания.

Когда хромирование все еще дешевле

Этот раздел остаётся, потому что это правда. Хромирование выгодно для новых деталей, при малых нагрузках, жёстких допусках, коротких рабочих циклах и везде, где уже есть собственная линия гальванического покрытия. Оно выгодно там, где износ поверхностный и не требуется восстановление размеров. Оно выгодно для геометрии, которую трудно достичь с помощью порошковой подачи. Поставщик, который не может сказать, когда его предпочтительный процесс является неправильным выбором, не дал вам инженерного ответа.

Процесс сопоставления с компонентом

Процесс определяется геометрией компонента, а не личными предпочтениями. Три приведенных ниже примера охватывают большинство запросов.

Внешние стержни.

Рекомендуется	Почему
EHLA или традиционная лазерная наплавка	Основными требованиями являются внешний диаметр, округлость и качество поверхности, а низкий подвод тепла ограничивает деформацию длинных тонких деталей.
ПТА-облицовка	Этот метод подходит в тех случаях, когда стержень короткий и жесткий, а более высокая скорость осаждения компенсирует более высокий подвод тепла.

Диаметры цилиндров и внутренние поверхности.

Рекомендуется	Почему
Наплавка PTA методом глубокого сверления с помощью горелки	Более высокая скорость осаждения и лучшее покрытие на больших внутренних поверхностях, способных выдерживать тепловую нагрузку.
Внутренняя лазерная наплавка	В тех случаях, когда разбавление и тепловыделение должны оставаться низкими, а отверстие для головки блока цилиндров должно быть доступно.

Длинноходовые стержни и ремонт на месте.

Рекомендуется	Почему
Портативная лазерная наплавка	В тех случаях, когда деталь невозможно снять со станка, достижимая округлость и чистота поверхности ограничены, поэтому допуски должны быть согласованы до начала работы.
Демонтаж и ремонт в мастерской.	Это по-прежнему требуется в тех случаях, когда отделка на месте не соответствует чертежу. Укажите это перед составлением сметы.

Контрольный список технических требований для запроса коммерческого предложения.

Вставьте это в заявку. Поставщик, который не может ответить на каждый пункт, не готов к предоставлению коммерческого предложения.

• Обозначение сплава или покрытия с указанием номера в техническом паспорте.
• Толщина отложения, минимальная и максимальная
• Требования к твердости, а также точное место и метод измерения.
• Предел разбавления и метод проверки
• Критерии приемлемости прочности сцепления и пористости
• Метод неразрушающего контроля и уровень приемлемости
• Финишная чистота поверхности, выраженная в Ra
• Допуски на размеры и округлость
• Документация: WPS/PQR, сертификаты на порошок или проволоку, протокол проверки.
• Входит ли в рамки проекта обработка до окончательного размера
• Максимальная температура между проходами для материала подложки

Часто задаваемые вопросы

1. Чем можно заменить твердое хромирование?

Лазерная наплавка, термообработка под давлением (PTA), высокоскоростное газопламенное напыление (HVOF) и химическое никелирование — четыре практических варианта замены. Лазерная наплавка и PTA обеспечивают металлургическое соединение и позволяют восстанавливать геометрию на миллиметры; HVOF обеспечивает механическое соединение с очень низким тепловыделением; химическое никелирование подходит для разрушения под воздействием коррозии при малых нагрузках. Правильный выбор зависит от требуемой толщины, нагрузки, подложки и допуска.

2. Запрещено ли твердое хромирование?

Cr(VI) не запрещен полностью, но его использование все чаще ограничивается. В соответствии с регламентом ЕС REACH, использование триоксида хрома подлежит разрешению, поэтому дальнейшее использование требует индивидуального согласования с установленными сроками. В США правила EPA по выбросам при хромировании ужесточились. Следует рассматривать направление изменений как установившееся, а сроки — как региональные, и проверять первичные источники ECHA и EPA, а не краткие обзоры.

3. Может ли лазерная наплавка обеспечить твердость, сравнимую с твердостью твердого хрома?

Да, и твердость может быть выше. Электролитический твердый хром обычно имеет твердость около 800–1000 HV на поверхности. Наплавочные сплавы на основе кобальта, никеля и железа с карбидным упрочнением обычно достигают 45–60 HRC, а некоторые кобальтовые сплавы сохраняют твердость при повышенных температурах лучше, чем хром. Толщина слоя и ударная вязкость имеют такое же значение, как и само числовое значение твердости.[ИСТОЧНИК: спецификация покрытия; технический паспорт порошка сплава]

4. Какой толщины может быть слой, нанесенный лазером?

Традиционная лазерная наплавка обычно создает слой толщиной 0,5–3 мм, а при необходимости можно использовать несколько проходов для увеличения толщины. EHLA создает более тонкие слои, обычно 0,1–0,5 мм. Для ремонта гидравлических штоков практический диапазон обычно определяется количеством восстанавливаемого металла плюс припуск на механическую обработку, а не пределом технологического процесса.[ИСТОЧНИК: Технологическая документация EHLA; Технический паспорт оборудования]

5. Лазерная наплавка дешевле, чем повторное хромирование гидравлического штока?

Не в расчете на единицу площади — облицовка обычно обходится дороже в плане затрат. Она может быть дешевле в расчете на интервал обслуживания, и значительно дешевле в тех случаях, когда требуется восстановление размеров стержня, которое экономически нецелесообразно обеспечить с помощью облицовки. Если стержень имеет размер на 0,5–1 мм меньше стандартного, облицовка не может исправить это по коммерческим ценам, и облицовка — единственный способ вернуть его к номинальному размеру.

6. Можно ли отремонтировать гидравлический шток, не снимая его с машины?

Иногда. Переносное оборудование для лазерной наплавки можно доставить к станку для обработки крупных или неподвижных деталей, но работа на месте ограничивает достижимую округлость и качество поверхности, и допуски должны быть согласованы до начала работы. Если достижимая чистота поверхности неприемлема, удаление детали все равно необходимо.

Заключение

Последовательность принятия решений коротка. Определите тип отказа — коррозия, истирание или потеря геометрических параметров. Проверьте, выдерживает ли подложка нагрев, поскольку это исключает или исключает различные процессы. Затем сравните общую стоимость детали за интервал обслуживания, а не цену за операцию нанесения покрытия. Если ответ — коррозия при небольшой нагрузке, это может быть химическое никелирование. Если же речь идет о восстановлении размеров на сильно нагруженном стержне, это почти всегда процесс плавления, и остается вопрос, какой из них подходит для данной геометрии.

Пришлите чертеж стержня, основной материал и измеренную геометрию износа, и наши инженеры сообщат вам, какой процесс применим и почему.Связаться с намидля оценки или таблицы данных.