CC BY
21УДК 621
Иванов Николай Юрьевич,
доцент кафедры Основ инженерного проектирования ФГБОУ ВО «ГУМРФ имени адмирала С.О. Макарова», г. Санкт-Петербург Ivanov Nikolay Yurievich, Admiral Makarov State University of Maritime and Inland Shipping, Saint Petersburg
ВЫБОР СПОСОБА ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ГАЗОТЕРМИЧЕСКИМИ МЕТОДАМИ CHOOSING A METHOD FOR RESTORING PARTS BY GAS-THERMAL METHODS
Аннотация: в статье рассмотрены газотермические методы нанесения покрытий при восстановлении деталей. Приведена методика выбора способов газотермического нанесения восстановительных покрытий в зависимости от геометрических и конфигурационных особенностей восстанавливаемых деталей, а также условий эксплуатации восстанавливаемых деталей.
Abstract: the article discusses gas-thermal coating methods for the restoration of parts. The method of selection of methods of gas-thermal application of restorative coatings is given depending on the geometric and configuration features of the parts being restored, as well as the operating conditions of the parts being restored.
Ключевые слова: восстановление деталей, газотермические методы, газопламенная металлизация, электродуговая металлизация, электродуговая металлизация, плазменное напыление, детонационное напыление.
Keywords: restoration of parts, gas-thermal methods, gas-flame metallization, electric arc metallization, electric arc metallization, plasma spraying, detonation spraying.
1.1. Газотермические методы нанесения покрытий.
В настоящее время перспективными технологическими процессами нанесения покрытий являются газотермические методы. К ним относятся газопламенная металлизация (ГПМ), электродуговая металлизация (ЭДМ), плазменные напыление (ПН), детонационное напыление (ДН).
Газопламенное напыление (металлизация) осуществляется подачей порошкообразного вспомогательного материала в зону пламени с помощью транспортирующего газа. В данном случае порошок из бункера поступает в горелку, захватывается потоком транспортирующего газа и на выходе из сопла попадает в пламя, где оплавляется и струей горящих газов направляется на напыляемую поверхность. Транспортировка порошка к поверхности детали с помощью газов, а не сжатого воздуха способствует уменьшению расплавленных частиц металла и тем самым оказывает положительное влияние на свойства напыленного слоя.
Газопламенное напыление позволяет получать нанесенные слои металла с заранее заданными свойствами, которые достигаются применением механических смесей (композиций) с различными химическим составом; используется ацетилено-кислородный или пропано-бутановый нагрев.
Определяющую роль в сцеплении порошка с основным металлом играет степень подготовки поверхности перед напылением. Для удаления следов износов применяется механическая обработка без применения охлаждающей жидкости на глубину 0,85 мм. Для деталей, не подверженных знакопеременным нагрузкам, окончательной операцией подготовки поверхности к напылению является нарезание "рваной резьбы". Для деталей, работающих при знакопеременных нагрузках, шероховатость поверхности перед напылением порошком создается струйной обработкой зерном абразива (корунда). Расход порошка электрокорунда на 1 дм2 обрабатываемой поверхности составляет 1,5 кг. Одним из методов повышения прочности сцепления покрытия с основным металлом является применение
подслоев или слоев сцепления с основанием. Наиболее перспективный материал для напыления подслоя - смесь алюминий-никель, содержащая 80.. .82% N и 18.. .20% А1. Перед нанесением покрытия поверхность нагревают до 150О С. При нанесении данной смеси протекает эксотермическая реакция, при которой частицы металла достигают высокой (свыше 1500° С) температуры и свариваются или сплавляются с поверхностью детали. Глубина зоны сплавления незначительна и составляет менее 0,1 мм.
При применении электродуговой металлизации процесс нанесения покрытия осуществляется в виде распыления расплавленного металла в специальных аппаратах -металлизаторах. Расплавленный металл распыляется струей сжатого воздуха, нейтрального газа, выходящей из металлизатора при давлении 0,5.0,6 МПа, мельчайшие частицы его со скоростью 80.200 м/с наносится на поверхность детали. Толщина наносимого слоя колеблется от 0,3 до 12 мм и более. Соединение распыленных частиц между собой и с поверхностью детали происходит за счет механических и частично молекулярных связей.
Электродуговая металлизация вследствие недостаточной прочности сцепления покрытия с основным металлом, хрупкости наносимого металла и других присущих ей недостатков широкого применения в ремонтной практике не нашла и в данной работе не рассматривается.
Плазменное напыление основано на использовании тепловой плазменной дуги. Плазмой называется вещество, нагретое до такой температуры, когда газы находятся в сильно ионизированном состоянии. Плазменное напыление основывается на расплавлении порошковых сплавов плазменной дугой и применяется для нанесения покрытий из туго -плавких материалов, а также различных карбидов (хрома, вольфрама и др.). для повышения прочности сцепления покрытия с основным металлом рекомендуется наносить подслой из молибденового порошка.
Перед нанесением покрытия деталь нагревается плазменной струей. Оптимальные режимы для плазменного напыления наружных поверхностей цилиндрических стальных деталей диаметром 20.50 мм: напряжение на дуге - 35.45 В; сила тока - 280.350 А; расход плазмообразующего газа (аргона) - 20.25 л/мин; расход транспортирующего газа (азота) - 2.4 л/мин; расстояние от сопла до напыляемой поверхности - 80.120 мм; диаметр выходного отверстия сопла плазмотрона - 6.7 мм; частота вращения детали -40.60 мин-1; продольная подача плазмотрона 3,5.4 мм/об; расход порошка - 4.7 кг/ч.
Для повышения прочности сцепления с основным металлом проводится операция оплавления. Оплавление покрытия обычно производится сразу же после нанесения слоя требуемой толщины. Прочность сцепления после оплавления достигает значения 400.450 МПа. Предел выносливости деталей после оплавления покрытия повышается на 20.25%, что объясняется упрочняющим влиянием покрытия.
При детонационном напылении расплавленного металла, его расплавление и перенос на поверхность детали достигается за счет энергии взрыва смеси ацетилена и кислорода. В качестве газа-окислителя используется кислород. Дистанция напыления составляет 170 мм. Подачу порошка осуществляет азотом. Расход порошка составляет 10 мг/с. Скорость процесса составляет 2.3 взрыва в минуту. Взрывная волна сообщает частичкам порошка высокую скорость полета, которая на расстоянии 75 мм от среза ствола достигает 800 м/с.
Преимуществами этого способа напыления является высокая производительность процесса, прочность сцепления с поверхностью детали 450.500 МПа, невысокая температура на поверхности детали (не более 200° С).
1.2. Выбор способа восстановления.
Исследования физико-химических процессов образования соединения между покрытием и подложкой [1] показали, что на развитие процесса схватывания в зоне взаимодействия скорость частиц и температура подложки оказывают сложное и конкурирующее влияние.
При разработке технологии восстановления деталей различных групп всегда предъявляют определенные требования к прочности сцепления покрытия с деталью. Эти требования следующие: недопустимость развития термических напряжений в восстанавливаемых
деталях, способных привести к поводкам и деформациям. Это означает, что температура подогрева деталей Т§ должна быть ограничена определенным значением развитие процессов отпуска, возврата и других структурных превращений, приводящих к снижению эксплуатационных свойств восстанавливаемых или соединенных с ними деталей при нагреве. Это указывает опять, что Т§ должна быть ограничена определенным значением.
Возможность образования на восстановленной поверхности детали при ее нагреве толстой оксидной пленки, затрудняющей образование соединений между деталью и покрытием. По этой причине Т§ также должна быть ограничена определенным значением.
Необходимость учитывать геометрические и конфигурационные особенности восстанавливаемых деталей и доступность восстановленной поверхности для использования конкретного способа.
Следовательно, ограничение температуры подогрева детали является основным фактором, который следует учитывать при выборе оптимального способа газотермического способа напыления.
Наиболее полным критерием получения соединения между покрытием и подложкой -образование в результате пластической деформации детали активных центров, на которых происходит схватывание материала покрытия и детали.
Основываясь на позиции главенствующей роли канала активации, связанного с пластической деформацией в процессе образования соединения между покрытием и деталью можно сделать вывод о важном влиянии подготовки восстанавливаемой поверхности перед газотермическим напылением на прочность сцепления.
Для удобства последующего изложения рассмотрим две группы деталей, в каждой из которых общим признаком будут их механические свойства.
Группа деталей из цветных металлов и сплавов. Цветные металлы и сплавы имеют низкие значения предела текучести. Поэтому их деформация в тонких поверхностных слоях может быть реализована при невысоких значениях значениях и - скорости движения частиц из материала покрытия. Это означает, что для восстановления деталей этой группы могут быть использованы газопламенная и электродуговая металлизация, плазменное напыление. На некоторых цветных металлах в условиях окружающей атмосферы имеется термодинамически устойчивый и прочный слой оксида. Таким оксидом является А1203 на деталях из алюминиевых сплавов. Поэтому промывка восстанавливаемой поверхности и ее механическая обработка непосредственно перед покрытием могут повысить прочность покрытия с деталью.
Использование для этой группы детонационного напыления является нецелесообразным, так как резкое увеличение степени деформации в тонком приповерхностном слое приведет к уменьшению площади активного центра и поэтому прочность сцепления покрытия с деталью повысится незначительно. Таким образом, для данной группы деталей необходимо применять способы покрытия, характеризуемыми невысокими значениями и, при условии предварительной подготовки восстанавливаемой поверхности.
Группа деталей из легированных сталей высокопрочных сплавов и чугунов (типа шпинделей). К деталям этой группы при их восстановлении предъявляют требования ограничения температуры подогрева либо по причине возможных поломок и деформаций (для коленчатых валов, клапанов и др.), либо из-за образования значительного слоя оксида на восстановливаемой поверхности.
С одной стороны, с учетом этих условий, очевидным является решение предусматривающее механическую обработку поверхности и последующее напыление детонационным способом, поскольку при этом способе высокие значения и и обеспечат при Т§ > Т° выполнение условия о0;2 (Т°) < Рп (напорное давление). С другой стороны, в материалах с низкой релаксационной способностью в результате деформации могут возникнуть напряжения, способные разрушить покрытие. С учетом этих особенностей эффективным является использование следующей последовательности операций:
- тщательная промывка и механическая обработка восстанавливаемой поверхности. Время между окончанием обработки и началом нанесения покрытия должно быть минимальным;
- напыление на такую поверхность покрытия из экзотермического порошка. К экзотермическому порошку должно предъявляться требование высокого теплового эффекта реакции, а к полученному на основе этого порошка покрытию - требование достаточной пластичности.
- напыление на подслой покрытия с требуемыми физико-механическими свойствами. Для обеспечения высокой прочности сцепления покрытия с подслоем необходимо, чтобы последовательные процессы нанесения покрытия подслоя и покрытия осуществлялись с минимально возможной паузой. Это обеспечит большую площадь активного центра на поверхности подслоя, а значит, потребуется меньшая деформация для образования качественного соединения между подслоем и покрытием. Если возникает ситуация, когда ограничением температуры подогрева детали Тg связано с образованием на восстановленной поверхности слоя оксида. Предлагается следующая расстановка операций:
• тщательная промывка и механическая обработка восстанавливаемой поверхности;
• напыление на обработанную поверхность покрытия требуемого состава. Для этого применяются способы, имеющие низкие значения скорости движения напыляемых частиц и, например газопламенная и электродуговая металлизация;
• оплавление материала покрытия, в результате которого термический канал активации приведет к интенсивному развитию процесса образования соединения между покрытием и деталью аналогично тому, как это происходит при пайке. Очевидно, что для реализации этого решения необходимо, чтобы материал покрытия имел температуру плавления ниже, чем материал детали.
На основании рассмотренных положений рекомендуемые способы газотермического напыления для восстановления различных групп деталей сведены в таблицу 1.
Таблица 1
Рекомендуемые способы газотермического напыления (ГТН) _для восстановления различных групп деталей_
Группы деталей Восстанав- Материал Условия работы Способ ГТН
ливаемые деталей восстановленных
поверхности поверхностей
1 2 3 4 5
Корпусные детали Плоскости, Чугун СЧ 18 Температурные ПМО + ГПМ
тракторных посадочные колебания. Ударные ПЭП + ПН (ДН)
двигателей отверстия под подшипники нагрузки. Осевые усилия
Корпусные детали автомобильных Плоскости, посадочные Сплавы алюминия Температурные колебания. ПМО+ПН (ЭДМ)
двигателей отверстия под подшипники Ударные нагрузки. Осевые усилия ПМО+ГПМ ЭП
Гильзы цилиндров Посадочные Чугун Температурные ПМО + ГПМ
тракторных и пояски, зеркало модифици- колебания. ПЭП + ПН (ДН)
автомобильных цилиндра рованный Ударные нагрузки.
двигателей Осевые усилия
Головки блока Плоскости, Чугун Температурные ПМО + ГПМ
тракторных гнезда клапанов колебания. Большие ПЭП + ПН (ДН)
двигателей ударные нагрузки
Головки блока Плоскости, Сплавы Температурные ПМО + ПН
автомобильных гнезда клапанов алюминия колебания. Большие (ЭДМ);
двигателей ударные нагрузки ПМО + ГПМ ЭП
Шатуны Отверстие Сталь 40Х. Ударные нагрузки ПМО+ЭДМ
тракторных и автомобильных НВ 220... 290 ПЭП + ПН
двигателей
Продолжение таблицы 1
Группы деталей Восстанав- Материал Условия работы Способ ГТН
ливаемые деталей восстановленных
поверхности поверхностей
1 2 3 4 5
Маховики тракторных Посадочная Чугун СЧ 1 8 Большие нагрузки ПМО + ГПМ ПЭП
и автомобильных поверхность СЧ 15 на сдвиг + ПН (ДН)
двигателей под венец
Коленчатые валы Поверхности Сталь 50Г, Ударные и ПМО + ЭДМ
тракторных шеек 50ХФА, 45, изгибающие ПЭП + ПН
двигателей 40Х. НЯСэ 52...62 нагрузки
Гладкие валы Поверхности Различная Ударные ПМО + ПН; ПМО
под сальники и сталь нагрузки + ГПМ (ЭДМ)
подшипник ПЭП + ЭДМ (ПН)
Шестерни, шлицевые Зубья Качествен- Ударные ПМО + ЭДМ
валы шестерен, шлицы ные стали нагрузки ПЭП+ПН
Штоки Поверхности Качествен- Истирание ПМО + ЭДМ ПЭП
гидроцилиндров ные стали восстановленных поверхностей + ПН (ДН)
Коромысла, вилки Посадочные Качествен- Ударные ПМО + ЭДМ ПЭП
переключения, кла- поверхности ные стали нагрузки + ПН
паны и другие детали
Рабочие органы поса- Рабочие Качествен- Значительные ПМО + ЭДМ ПЭП
дочных и почвообраба- поверхности ные стали нагрузки на сдвиг. + ПН
тывающих машин Повышенная износостойкость
Примечание: ПМО - подготовка поверхности, механическая обработка; ГПМ -газопламенная металлизация; ЭДМ - электродуговая металлизация; ПН - плазменное напыление: ДН - детонационное напыление; ПЭП - подслой из экзотермического порошка; ЭП - экзотермический порошок.
Выводы:
1. Для повышения прочности сцепления покрытия с основным металлом рекомендуется наносить подслой из молибденового порошка.
2. основным фактором при выборе оптимального способа газотермического напыления является температура подогрева детали.
3. выбор способа нанесения покрытия зависит от групп деталей, объединенных по механическим свойствам.
4. рекомендуемые способы газотермического напыления представлены в таблице.
Список литературы:
1. Черноиванов В.И., Лялякин В.П. Организация и технология восстановления деталей машин. -М.: ГОСНИТИ, 2003 - 488 с.
2. Балихин В.В., Быков В.В., Иванов Н.Ю. Технология ремонта машин и оборудования. Учебник для вузов. СПб.: СПбГЛТА, 2006 - 524 с.
