CC BY
326. Жосан А.А., Головин С.И. Методы технической диагностики. Методические указания к выполнению практических работ по дисциплине «Техническая диагностика».- Издательство ОрёлГАУ. - 2013.
7. Жосан А.А., Головин С.И., Рыжов Ю.Н. Электронные системы управления дизелями автомобилей. - Издательство ОрёлГАУ. - 2013.
УДК 621.785: 621.99: 621.282.1:621.793.7-034.35'
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ГАЗОПЛАМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ В ПРОЦЕССАХ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И УПРОЧНЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ
Добычин С. В., магистрант 2 курса направления подготовки 35.04.06 «Агроинженерия» ФГБОУ ВО Орловский ГАУ
АННОТАЦИЯ
В статье приводится обзорный анализ проблем повышения эффективности метода газопламенного напыления и пути их решения, а также представлены полученные результаты и дальнейшие направления развития технологических методов, оборудования и применяемых материалов.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА
газопламенное напыление, технология и оснастка, прочность сцепления, подготовка поверхности, порошковый материал, водородно-кислородное пламя, биметаллический подшипник скольжения, накатывание.
ABSTRACT
The article provides an overview analysis of the problems of increasing the efficiency of the method flame spraying and solutions, as well as provides results and future directions for the development of technological methods, equipment and materials used.
KEY WORDS
flame spraying, technology and equipment, friction bimetallic bearing, adhesive strength, surface preparation, powder material, hydrogen-oxygen flame, rolling.
Успешное решение задач, связанных со снижением стоимости и веса изделий, при одновременном повышении долговечности ведет к необходимости использования композиционных материалов. К числу наиболее прогрессивных технологических процессов получения таких материалов относятся методы нанесения защитных и упрочняющих покрытий. Особое место среди них занимают процессы газотермического напыления.
Для упрочнения и восстановления деталей машин, работающих в условиях абразивного износа, широкое применение находит метод газопламенного напыления (ГПН) порошковых материалов. Существенным недостатком газопламенного напыления является выделение при напылении продуктов сгорания органического топлива, применение различных горючих газов для замены ацетилена в процессах газопламенной обработки с каждым годом получает все большее распространение. В качестве заменителей ацетилена широко используются различные горючие газы, в том числе и водород.
Известные методы газопламенной обработки рассчитаны на применение углеродсодержащих горючих газов, что загрязняет окружающую среду продуктами сгорания, которые в частности ухудшают свойства покрытий. Кроме того, известные горелки не позволяют применять в качестве горючего газа водородно-кислородную смесь, так как она создает окислительное пламя. Применение в них в качестве
транспортирующего газа водородно-кислородной смеси может привести к обратному удару в канале для газопорошковой смеси.
Нами продолжительное время проводится научная работа по исследованию износостойких покрытий полученных ГПН материалов с применением водородно-кислородного пламени. Результаты исследований подтверждают, что использование водородно-кислородной смеси с добавкой пропан-бутана для газопламенного напыления дает возможность при напылении получать высококачественный напыленный слой, а применение добавки пропан-бутана к водородно-кислородной смеси для газопламенного напыления позволяет повысить микротвердость наносимых покрытий на 24% в сравнении с покрытиями, получаемыми на чистой водородно-кислородной смеси и на 49% в сравнении с покрытиями, получаемыми на традиционной ацетилено-кислородной смеси. Структура покрытий, полученных при различных горючих газах практически одинакова. Отличие в количестве пор в поверхностных слоях [1-5].
Кроме того, производству предложены технология и горелка для газопламенного напыления порошковых материалов, позволяющие уменьшить загрязнения окружающей среды и вредных выбросов в атмосферу, получением в качестве продукта сгорания водяного пара за счет использования в качестве горючего и транспортирующего газов экологически чистой водородно-кислородной смеси, вырабатываемой электролизерами из воды, предотвратить образование обратных ударов в горелке по каналу втулки.
Выполненные рядом исследователей работы по изучению работоспособности деталей с покрытиями убедительно показали, что основной причиной их разрушения является недостаточная связь между материалом покрытия и основы. По указанной причине, серьезным ограничением на пути более широкого применения изделий, упрочненных покрытиями, следует считать прочность сцепления. Проведенными исследованиями было установлено, что одним из наиболее эффективных способов подготовки поверхностей деталей машин под газопламенное напыление, обеспечивающим значительное повышение прочности сцепления покрытия с подложкой, является накатывание на восстанавливаемой или упрочняемой поверхности заготовки резьб с замковым профилем. Резьба с замковым профилем представляет собой треугольную резьбу, на вершине которой формируются полугрибовидные участки профиля, смещенные попеременно в разные стороны. Этот профиль выполняет роль полуанкерного замка, на который механически прикрепляется напыляемое покрытие. Восстанавливаемая или упрочняемая поверхность детали предварительно протачивается на токарном станке, затем на ней нарезается «рваная» резьба. Накатывание замкового профиля производится на предварительно нарезанной резьбе. В качестве инструмента используются запатентованные профильные резьбонакатные ролики (рис. 1).
В результате была решена актуальная задача повышения прочности сцепления покрытий с основой при газопламенном напылении порошковых материалов
Рисунок 1 - Профильные ролики для накатывания замкового профиля
совершенствованием технологии подготовки поверхности путем накатывания замкового профиля на предварительно нарезанной резьбе. Разработан способ, оснастка и инструмент (Патенты РФ № 2237525, № 2305606) для осуществления предложенной технологии, а также было достигнуто повышение прочности сцепления газопламенных покрытий с основой на 25% в сравнении с существующим способом подготовки поверхности нарезанием «рваной» резьбы. Определены рациональные режимы и параметры формирования замкового профиля на подготавливаемой поверхности [6].
Анализ, обоснование и выработка рекомендаций по использованию механических свойств материалов, в том числе и композиционных, при нанесении покрытий методами газопламенного напыления покрытий, один из наиболее важных этапов исследования, который позволит не только объективно судить о поведении деталей при эксплуатации, но и активно управлять ресурсом их работы, воздействуя на состав, структуру, свойства и, естественно, технологию получения покрытий.
В настоящее время современное производство оснащено сложной техникой, безотказность работы которой зависит ресурса наиболее нагруженных деталей. Во многих самоходных машинах нашли широкое применение различные подшипники скольжения, так как они обладают высокими антифрикционными свойствами и выдерживают значительные удельные нагрузки. Чаще всего это бронзовые подшипники скольжения типа «втулка», изготовленные из бронзы. Подвеска самоходных машин имеет различное конструктивное решение балансирного устройства, в состав которого также входят втулки (подшипники скольжения), изготовленные из антифрикционного материала. Эти подшипники лимитируют ресурс балансирной подвески и требуют восстановления либо замены новыми - ремонтного размера.
При проведении капитального ремонта требуется ремонт подвески, а анализ износного состояния подшипников скольжения показывает, что внутренняя цилиндрическая поверхность бронзовых втулок выходит за пределы размеров допустимых при ремонте. Эти подшипники лимитируют ресурс работы ответственных сборочных единиц. Обеспечение высокой долговечности подшипников скольжения является сложной задачей, как при их изготовлении, так и при ремонте.
Одним из наиболее рациональных путей повышения долговечности подшипников скольжения является применение биметаллических втулок с нанесенным на внутреннюю поверхность покрытием из порошков на основе бронзы. Серьезной проблемой при изготовлении подобных втулок является обеспечение необходимой прочности сцепления антифрикционного покрытия с металлической основой. Известно, что прочность сцепления может быть повышена формированием на поверхности основы специального рельефа. Одним из наиболее рациональных видов наносимых рельефов является сетчатый профиль, получаемый накатыванием (Пат. №2400312, №2416744, №2424888, №2427459). Однако отсутствие обоснованных рекомендаций по режимам и применяемым материалам при изготовлении подшипников скольжения косым сетчатым накатыванием и газопламенным напылением порошков на основе бронзы сдерживает внедрение таких технологий в производство и поэтому является актуальной задачей.
Анализ существующих материалов и технологий изготовления и восстановления подшипников скольжения позволяет остановить свой выбор на технологии изготовления биметаллического подшипника скольжения взамен подшипника из цельной бронзы. Применение стальной основы и пластического деформирования для её обработки, а также обоснованный подбор антифрикционного материала из порошков бронзы, позволит повысить эксплуатационные показатели разрабатываемого подшипника скольжения [7-8].
Полученный методом ГПН антифрикционный слой, в силу физических процессов, происходящих при газотермическом напылении, обладает высокой пористостью, низкой прочностью, микротвердостью и износостойкостью. Поэтому необходима последующая механическая обработка резанием (точение, шлифование).
Однако это приводит к увеличению потерь дорогостоящего порошкового материала из цветных металлов из-за необходимости снятия припуска. Кроме того, получаемая шероховатость и точность размера после механической обработки остается на низком уровне. Недостатками известных методов обработки антифрикционных покрытий также являются: недостаточная прочность, микротвердость и износостойкость напыленного антифрикционного слоя, при одновременно высоких: пористости и коэффициенте трения напыленного антифрикционного слоя. В связи с этим задачами разработки являются повышение точности размера, прочности, микротвердости и износостойкости напыленного антифрикционного слоя при одновременном снижении потерь порошкового материала, шероховатости, пористости и коэффициента трения напыленного антифрикционного слоя.
Поставленные задачи решаются тем, что последующую механическую обработку производят пластическим деформированием накатыванием антифрикционного покрытия твердосплавным инструментом. Для чего, механическую обработку антифрикционного слоя до номинального или ремонтного размера осуществляют отделочно-упрочняющей обработкой поверхностным пластическим деформированием. Для этого проводят операцию накатывания поверхности антифрикционного покрытия твердосплавным инструментом в виде роликов. В результате накатывания за счет создания наклепа происходит упрочнение поверхностного слоя антифрикционного покрытия, что приводит к изменению микроструктуры, повышению прочности, микротвердости антифрикционного слоя при одновременном снижении шероховатости и пористости. Снижение шероховатости приводит к повышению точности размера и износостойкости, а также к снижению коэффициента трения напыленного антифрикционного слоя. Кроме того, минимальный припуск на такую обработку резко снижает потери порошкового материала за счет отсутствия стружки.
Полученный таким образом подшипник скольжения из стальной втулки с напыленным слоем бронзы с последующей отделочно-упрочняющей обработкой поверхностным пластическим деформированием поверхности антифрикционного покрытия твердосплавным инструментом в виде роликов обладает более высокими показателями качества поверхностного слоя и более долговечен при одновременно низкой стоимости получения.
Для достижения указанных результатов производится разработка оснастки и инструмента для накатывания, а также оптимизация параметров инструмента и режимов обработки (рис. 2).
Еще одной из серьезных проблем, возникающих на производстве является то, что для формирования равномерного и качественного покрытия на фасонных поверхностях необходимо обеспечить равномерное перемещение горелки, расположенной перпендикулярно поверхности, на заданном расстоянии от детали,
Рисунок 2 - Оснастка и инструмент для накатывания
поскольку оптимальный режим напыления зависит от многих факторов, в том числе и от таких режимов как угол и дистанция напыления [9-14].
При малой дистанции напыления создается опасность деформации металла основы под влиянием термических напряжений; когда же расстояние слишком большое, температура и скорость напыляемых частиц снижается, что приводит к образованию «рыхлого» покрытия и уменьшению прочности сцепления с основой. Определенное влияние на формирование покрытия при газопламенном напылении оказывает угол атаки, т.е. угол между направлением напыления и поверхностью основы. По мере уменьшения угла напыления возрастает пористость покрытия, снижается коэффициент использования напыляемого материала, снижается его плотность и прочность сцепления покрытия с основой. Т.е. наилучшие характеристики покрытия получаются при перпендикулярном направлении пламени горелки относительно напыляемой поверхности.
Так как, деформация напыляемых частиц при соударении с поверхностью основы происходит. В случаях, когда невозможно обеспечить этот угол, допускается отклонение от вертикали, но не более чем на 45°. В противном случае сильно снижается качество покрытия, и возрастают потери порошка. Наиболее интенсивное напыление происходит по центру потока, где сосредотачиваются самые крупные фракции наименее окисленных распыленных частиц. Основная масса напыляемого материала поступает по центру потока, где достигаются наилучшее сцепление с основой, минимальная пористость и окисление частиц. В наружной части факела материал напыляется с минимальной скоростью, при этом образуется окисленный слой частиц с высокой пористостью и плохим сцеплением с подложкой. Следовательно, при восстановлении сферических поверхностей, необходимо обеспечить перпендикулярность пламени относительно напыляемой поверхности и равномерное перемещение горелки в горизонтальной плоскости с соблюдением фиксированной дистанции напыления.
Выполнение этой задачи можно добиться путем копирования сферы горелкой, расположенной на неизменном расстоянии напыления и зафиксированной от перемещения в вертикальном направлении. Для этого нами разработано устройство для газотермического напыления покрытий на тела вращения.
Для улучшения прочности сцепления покрытий с основой можно применять электроискровую обработку [15-19].
В исследованиях было задействовано оборудование Инновационного научно-исследовательского испытательного центра ФГБОу ВО Орловский ГАУ, а также возможности Центра по нанотехнологиям и наноматериалам в АПК (№8) «Нано-Центр ГОСНИТИ». Работы проводились в созданном при ФГБОУ ВО Орловский ГАУ секторе №17 «Новые технологии» Федерального государственного бюджетного научного учреждения «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ» (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ).
Библиография:
1. Коренев, В.Н. Эффективные технологические методы, оборудование и материалы для восстановления и упрочнения деталей газопламенным напылением / В. Н. Коренев, А. В. Коломейченко // Ремонт, восстановление, модернизация. №6. 2014. С. 36-39.
2. Коренев, В.Н. Морфология газопламенных покрытий при напылении водородно-кислородным пламенем / В.Н. Коренев, А.В. Коломейченко // Труды ГОСНИТИ. 2014. Т. 117. С. 223-227.
3. Коренев, В.Н. Обоснование микротвердости покрытий при газопламенном напылении водородно-кислородным пламенем // Упрочняющие технологии и покрытия. 2014. № 11 (119). С. 31-35.
4. Коренев, В.Н. Совершенствование технологических методов, оснастки и материалов при восстановлении и упрочнении деталей машин газопламенным напылением / В.Н. Коренев, А.В. Коломейченко // Вестник Федерального
государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Московский государственный агроинженерный университет им. В.П. Горячкина. 2015. № 6 (70). С. 21-28.
5. Коренев, В.Н. Формирование микроструктуры и повышение микротвердости покрытий при газопламенном напылении водородно-кислородным пламенем / В.Н. Коренев, А.В. Коломейченко, К.С. Аракчеева // Труды ГОСНИТИ. 2016. Т. 122. С. 178183.
6. Коренев, В.Н. Совершенствование технологических методов, оборудования и материалов при восстановлении и упрочнении деталей машин газопламенным напылением / В.Н. Коренев // Образование, наука и производство. 2015. № 2 (11). С. 58-63.
7. Коренев, В.Н. Коломейченко А.В., Ивановский В.С. Анализ перекосов корпуса относительно полуоси балансирного устройства заднего моста дорожно-строительной и автомобильной техники / В.Н. Коренев, А.В. Коломейченко, В.С. Ивановский // Строительные и дорожные машины. №1. 2015. С. 41-44.
8. Коренев, В.Н. Моделирование процесса накатывания основы биметаллических подшипников скольжения / В.Н. Коренев, А.Ю. Родичев // Тяжелое машиностроение. №6. 2014. С. 26-31.
9. Коломейченко, А.В. Технология ремонта машин. Лабораторный практикум. Часть I. Учебное пособие / А.В. Коломейченко, А.Л. Семешин, Титов Н.В., Логачев В.Н, Коренев В.Н. - Орел: Изд-во Орел ГАУ, 2013. 179 с.
10. Коломейченко, А.В. Технология ремонта машин. Лабораторный практикум. Часть II. Учебное пособие / Коломейченко А.В., Семешин А.Л., Н.В. Титов, В.Н. Логачев, В.Н. Коренев - Орел: Изд-во ОрелГАУ, 2013.156 с.
11. Проектирование предприятий технического сервиса: учебное пособие // И.Н. Кравченко, А.В. Коломейченко, В.М. Корнеев, А.В. Чепурин, А.Л. Семешин, В.Н. Коренев, Н.В. Титов, В.Н. Логачев. - Орел: Изд-во ООО «Модуль-К», 2014. 350 с.
12. Коломейченко, А.В. Влияние дистанции напыления на физико-механические свойства при упрочнении газопламенным напылением рабочих поверхностей культиваторов / А.В. Коломейченко, С.А Зайцев // Ремонт. Восстановление. Модернизация. 2013. № 5. С. 32-33.
13. Коломейченко, А.В. Влияние фракций экспериментального порошка на физико-механические свойства покрытий при газопламенном напылении / А.В. Коломейченко, С.А. Зайцев // Техника и оборудование для села. 2013. № 3. С. 41-42.
14. Коренев, В.Н. Формирование микроструктуры и повышение микротвердости покрытий при газопламенном напылении водородно-кислородным пламенем / В.Н. Коренев, А.В. Коломейченко, К.С. Аракчеева // Труды ГОСНИТИ. 2016. Т. 122. С. 178183.
15. Коломейченко, А.В. Исследования толщины и микротвердости электроискровых покрытий из аморфных и нанокристаллических сплавов / А.В. Коломейченко, И.С. Кузнецов, И.Н. Кравченко // Сварочное производство. 2014. №10. С. 36-39.
16. Коломейченко, А.В.. Упрочнение электроискровой обработкой режущих кромок зерноуборочных машин / А.В. Коломейченко, И.С. Кузнецов // Вестник Орловского государственного аграрного университета. 2013. Т. 40. №1. С. 187-190.
17. Коломейченко, А.В. Микротвердость электроискровых покрытий из аморфных и нанокристаллических сплавов / А.В. Коломейченко, И.С. Кузнецов // Труды ГОСНИТИ. 2013. Т. 113. С. 379-382.
18. Коломейченко, А.В. Теория и практика электроискрового упрочнения режущих деталей машин аморфными и нанокристаллическими сплавами: монография / А.В. Коломейченко, И.С. Кузнецов // Орел. Изд-во Орел ГАУ. 2015. - 174. с.
19. Коломейченко, А.В. Структура электроискровых покрытий из аморфных и нанокристаллических сплавов / А.В. Коломейченко, И.С. Кузнецов // Труды ГОСНИТИ. 2014. Т. 115. С. 161-166.
