CC BY
26ТЕХНОЛОГИЯ
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
Технологии и оборудование холодного газодинамического напыления
А. П. АЛХИМОВ, гл. научный сотрудник, профессор, доктор техн. наук, Институт теоретической и прикладной механики СО РАН, г. Новосибирск
В ИТПМ СО РАН в 80-х годах было открыто явление сформирования покрытий из частиц в твердом состоянии при комнатной температуре, которое е дальнейшем было названо «холодным газодинамическим напылением» (ХГН). В этом направлении был проведен цикл фундаментальных исследований, позволивший понять механизм явления, определить условия формирования таких покрытий и перейти на этой основе от традиционно используемых высокотемпературных процессов (плазменных, газопламенных, детонационных и т.д.) к высокоскоростным (высокий уровень кинетической энергии) низкотемпературным способам нанесения покрытий, пленок компактирования новых материалов (в том числе композитных).
На основе ХГН в ИТПМ разработан ряд принципиально новых технологий мирового уровня, защищенных патентами России, США, рядом стран Европы.
Сущность технологии ХГН. По технологиям ХГН покрытия формируются из нерасплавленных высокоскоростных частиц размером 50 - 0,01 мкм, ускоряемых в сверхзвуковых аэродинамических установках до скорости ~ 1000 м/с и более при температуре рабочего газа существенно ниже температуры плавления материала частиц.
Следовательно, отличительная особенность технологии ХГН (в сравнении с плазменной, газопламенной, детонационной и т.д.) состоит в том, что основным энергетическим источником формирования покрытий является кинетическая энергия напыляемых частиц, сообщаемая им сверхзвукозым потоком рабочего газа, что обеспечивает получение покрытий с минимальными температурными напряжениями без сквозных пор и микротрещин и обуславливает высокие электропроводящие, антикоррозионные и прочностные (адгэзи-онно-ксгезионные) свойства.
Завершенные научно-технологические разработки ХГН.
1. Технология производства электропроводных
защитных покрытий кабельных наконечников (КН) и переходных пластин (по патенту РФ № 2096877, 1997)
Электротехническое соединительное изделие, в соответствии с ГОСТ 9581-80 и изменением № 4, по мунму 2, дополненного словами: «Кабельные наконечники могут изготавливаться с защитным металлическим покрытием Н6 или Ц6 или с покрытием контактной поверхности зажимной части наконечника медью, никелем или цинком, нанесенным способом газодинамического напыления»
Технология включает в себя:
• подготовку поверхности КН (удаление загрязнений, механическая активация);
• подготовку расходуемых материалов (в частности, напыляемых порошков):
• процесс напыления;
• контроль и упаковка.
Для реализации этой технологии разработаны и созданы стационарные установки кассетного и карусельного типа, позволяющие наносить покрытия Си, Ni, Zn на все типы размеров КН с производительностью 500 - 1000 шт/ час в зависимости от типоразмера, а также вспомогательное оборудование (для активации КН, мойки, сушки КН,
утилизации и повторного использования порошка).
2. Технология антикоррозионной защиты стальных изделий
Разработана технология нанесения антикоррозионных покрытий на металлические конструкции в соответствие с ГОСТ 28302-89 и, в частности, на наружную и внутреннюю поверхность труб, профильного (уголок) и листового проката.
2.1. Наружное напыление производится на установке с проходной камерой напыления, через которую проходит обрабатываемая труба с одновременным зращением вокруг своей оси.
Установка наружного напыления (УНН) включает в себя:
• рольганговую (подающую) линию, задающую вращатель-но-поступательнсе движение трубы относительно напыляющего сопла;
• камеру напыления с размещенным в ней сопловым узлом;
• сопловый узел, включающий одно или несколько сопел;
• дозатор напыляющего порошка с приводом;
• регулятор температуры рабочего газа (нагреватель);
• источник сжатого газа (компрессор);
• накопитель газа (рессивер);
• систему утилизации порошка.
Технические параметры:
Давление рабочего газа, МПа Температура рабочего газа, °С Производительность (при толщине 0,2 мм), м2/час Толщина слоя покрытия, мм Коэффициент использования порошка без повторного использования С улавливанием настиц и повторным использованием
1,2-2,0 80 - 200
5-20
0,05 - 0,3 и более 0,5 - 0,8 0,9 - 0,95
2.2. Напыление внутренней поверхнос_и труб диаметром 100 мм и более осуществляется на стационарной штангооб-разной установке, при этом труба закрепляется на станине с возможностью вращения, а внутрь трубы вводится штанго-образное напыляющее устройство с возможностью перемещения вдоль оси трубы.
Установка внутреннего напыления (УВН) включает в себя:
• станину (для закрепления обрабатываемой трубы) на которой устанавливается штангообразное напыляющее устройство;
• напыляющее устройство, выполненное в виде трубы, с размещенными в ней нагревателем и сопловым узлом;
• дозатор напыляющего порошка с приводом;
• источник сжатого газа (компрессор);
• накопитель газа (реесивср);
• систему утилизации порошка.
Технические параметры УВН те же, что и для УНН.
2.3. Разработано технологическое оборудование для высокопроизводительной линии по нанесению защитных покрытий на уголковый прокат- с производительностью 90 - 200 м/час,
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
ТЕХНОЛОГИЯ
что позволяет легко согласовывать его с действующими на предприятиях прокатными линиями.
3. Многофункциональное оборудование ХГН
Разработана многофункциональная передвижная установ-
ка пистолетного типа (в виде ручного инструмента), которая позволяет наносить защитные, токопроводящие и т.д. покрытия на детали сложной формы, открытых площадках, внутренних поверхностях резервуаров и т.д., производить восстановительно-ремонтные и др. работы.
Комбинированная магнитно-имвульсная обработка режущего инструмента
А . Г. ОВЧАРЕНКО, профессор, доктор техн. наук, А. Ю. К03/1ЮК, аспирант, БТИ Алт ГТУ, г. Бийск
В настоящее время сильные импульсные магнитные поля находят всё большее применение в различных технологических операциях при обработке металлов. Это технологическое направление появилось в конце 50-х годов прошлого столетия и сразу же нашло применение в самолёто- и ракетостроении, а впоследствии в автомобильной, пищэвой, медицинской и других отраслях промышленности [1].
Накоплен большой опыт применения магнитного импульса для обработки металлов давлением, сварки металлов и снятия усталостных напряжений. Импульсы магнитного поля высокой напряжённости используются для изменения внутренней структуры материала. В частности, для изменения структуры стального инструмента с целью повышения его ресурса или увеличения режимных нагрузок на него применяется магнитно-импульсная обработка (МИО) [2].
МИО является наиболее перспективным и высокотехнологичным методом упрочнения режущего инструмента среди существующих методов, обеспечивающих изменение внутренней структуры и состояние поверхностного слоя материала. В первую очередь, это связано с минимальным временем обработки, относительно небольшими затратами на оборудование, а также отсутствием каких-либо расходных материалов.
В Бийском технологическом институте на протяжении ряда лет проводятся исследования влияния импульсного магнитного поля на свойства металлорежущего инструмента. В качестве металлорежущего инструмента использовались спиральные свёрла различного диаметра от 3 до 7 мм из стали Р6М5. В ходе экспериментальных исследований выявилась существенная зависимость стойкости свёрл от напряжённости импульса магнитного поля и времени обработки. Найдено что, для получения максимальной стойкости сверла требовался или один мощный импульс высокой напряжённости магнитного поля, или несколько импульсов меньшей напряженности количеством не менее 10, что приводит к существенному удорожанию оборудования или к значительному увеличению времени магнитно-импульсной обработки.
Для разрешения этой проблемы был предложен предварительный нагрев режущего инструмента перед МИО, так как в этом случае в разогретой микроструктуре зёрна находятся в менее устойчивом состоянии, и тем самым увеличивается вероятность изменения направления векторов самопроизвольной намагниченности отдельных доменов. Это же про исходит и при увеличении напряжённости импульса магнитного поля. После МИО магнитные моменты всех доменов устанавливаются параллельно или близко к параллельности с исходным магнитным полем. Упорядоченное распределение доменов в структуре материала, а также другие, менее существенные процессы, происходящие при воздействии магнитного импульса на инструмент (смещение границ доменов, микропластическая деформация, тепловое действие импуль-
са, воздействие электродинамических сил) приводит к увеличению теплопроводности, вязкости и износостойкости инструментальной стали.
Предварительный нагрев осуществлялся непосредственно перед обработкой инструмента импульсом магнитного поля в специально спроектированном и изготовленном комбинированном индукторе, состоящем из магнитной катушки, катушки токов высокой частоты (ТВЧ) и концентратора магнитного поля.
С помощью катушки ТВЧ происходит нагрев инструмента до оптимальной температуры обработки (экспериментально найдена оптимальная температура для стали Р6М5 равная 500 °С). Концентратор магнитного поля позволил в значительной степени (примерно в 2 раза) увеличить напряжённость магнитного поля в зоне обработки по сравнению с цилиндрическим индуктором, тем самым, изменяя структуру и максимально повышая прочностные характеристики сверга в области его главных режущих кромок. Это приводит к значительному увеличению износостойкости без увеличения энергозатоат на создание более мощного импульса магнитного поля. Износостойкость сверл оценивалась по известной методике [3]. За критерий затупления сверла принималась определённая величина износа по задней поверхности.
Некоторые результаты экспериментальных исследований, полученных с помощью различных конструкций индуктороз, приведены в таблице. Полученнье результаты показывают, что тип индуктора существенно влияет на стойкость сверга после обработки. Недостатком цилиндрического индуктора является низкое повышение стойкссти за один импульс МИО. Применение же нескольких импульсов неэффективно, так как приводит к многократному увеличению времени обработки. Исключает этот недостаток индуктор с предварительным нагревом заготовки, который позволяет повысить стойкость в среднем в 1,48 раза за один импульс МИО. Комбинированный индуктор с концентратором магнитного поля позволяет получить наибольшее повышение стойкости сверла с минимальными затратами энергии и времени обработки. На ри-
Влияние конструкции индуктора аоли! на стойкость сверл при однократной МИО спиральных свёрл диаметром 4,4 мм из стали Р6М5
Вид индуктора Средняя величина повышения стойкости сверл, %
Индуктор цилиндрический 9
Индуктор цилиндрический с предварительным нагревом заготовки 48
Индуктор цилиндрический с предварительным нагревом заготовки и концентратором магнитного поля 62
