14.2. Газоэлектрические методы напыления
В газоэлектрических процессах для создания высокотемпературного потока используют тепловое действие электрической дуги, плазменной струи, индукционного нагрева токами высокой частоты.
Газоэлектрические методы напыления — одни из наиболее распространенных способов получения металлических покрытий поверхностей нанесением на эти поверхности расплавленного металла. Сущность процесса — металл, расплавленный дугой или ацетилено-кислородным пламенем и распыленный струей сжатого воздуха (давление до 0,6 МПа), покрывает поверхность восстанавливаемой детали.
В зависимости от источника расплавления металла различают электродуговое, плазменное и высокочастотное напыления (табл. 14.1).
Применяя газоэлектрические методы напыления, необходимо учитывать, что слой, нанесенный на поверхность детали, не повышает ее прочности. Поэтому применять эти способы для восстановления деталей с ослабленным сечением не следует. При восстановлении деталей, находящихся под действием динамических нагрузок, а также деталей, работающих при трении без смазочных материалов, необходимо знать, что сцепляемость напыленного слоя с основным металлом детали недостаточна.
Таблица 14.1
Способы напыления
Необходимую шероховатость на поверхности деталей, подлежащих напылению, достигают:
для поверхностей термически необработанной круглой детали на токарно-винторезном станке нарезают «рваную» резьбу резцом, установленным с большим вылетом ниже оси детали на 3...6 мм. Вибрация резца приводит к появлению шероховатой поверхности с заусенцами. Резьбу нарезают при скорости резания 8... 10 м/мин (без охлаждения) за один проход резца на глубину 0,6 ...0,8 мм. Шаг резьбы составляет 0,9... 1,3 мм, а для вязких и мягких материалов — 1,1... 1,3 мм. На галтелях резьбу не нарезают. Для выхода резца при нарезании резьбы и устранения выкрашивания покрытия у торца детали делают канавки, глубина которых должна быть на 0,2... 0,3 мм больше глубины резания. Часто нарезание резьбы заменяют более производительным процессом — накаткой резьбы. Прочность связи основного металла с покрытием при этом несколько ухудшается;
для поверхностей плоских деталей нарезают «рваные» канавки на строгальных станках. На поверхности небольших плоских деталей нарезают на токарных или карусельных станках «рваные» канавки в виде архимедовой спирали. Поверхности подвергают пескоструйной обработке. Канавки должны располагаться перпендикулярно к направлению действия нагрузки.
Для получения высокого качества покрытий струю распыленного металла направляют перпендикулярно к обрабатываемой детали и выдерживают расстояние от сопла горелки до детали в пределах 150...200 мм. Вначале металл наносят на участки детали с резкими переходами, углами, галтелями, уступами, а затем осуществляют напыление всей поверхности, равномерно наращивая металл. Требуемые размеры, качество отделки и правильную геометрическую форму поверхностей, покрытых распыленным металлом, получают при окончательной механической обработке.
Электродуговое напыление. Процесс электродугового напыления осуществляется специальным аппаратом (рис. 14.2), который действует следующим образом. С помощью протяжных роликов по направляющим наконечникам непрерывно подаются две проволоки, к которым подключен электрический ток. Возникающая между проволоками электрическая дуга расплавляет металл. Одновременно по воздушному соплу в зону дуги поступает сжатый газ под давлением 0,6 МПа. Большая скорость движения частиц металла (120...300 м/с) и незначительное время полета, исчисляемое тысячными долями секунды, обуславливают в момент удара о деталь ее пластическую деформацию, заполнение частицами пор поверхности детали, сцепление частиц между собой и с поверхностью, в результате чего образуется сплошное покрытие. Последовательным наслаиванием расплавленного металла можно получить покрытие, толщина слоя которого может быть от нескольких микрон до 10 мм и более (обычно 1,0...1,5 мм — для тугоплавких и 2,5...3,0 мм — для легкоплавких металлов).
Особенностью электродугового напыления является образование нескольких максимумов в факеле распыления. Это связано с тем, что струя сжатого воздуха рассекается электродными проволоками на два или три потока, в зависимости от числа проволок, подаваемых в очаг плавления. В каждом из этих потоков образуется своя ось максимальной концентрации распыленных частиц.
Питание электродуговой дуги осуществляется переменным или постоянным током. При работе на постоянном токе дута горит непрерывно, на переменном токе она периодически возобновляется. При использовании постоянного тока процесс плавления более стабилен, дисперсность частиц и плотность получаемых покрытий выше, чем при применении переменного тока.
Установка для электродуговой металлизации включает электродуговую горелку, напыляемый материал в виде проволоки и источник электропитания. Рабочее напряжение равно 18...40 В, сила тока — 100... 140 А. Производительность электродуговой установки выше, чем при газопламенном напылении, и составляет: для стали — 5...70, бронзы — 60.„90, алюминия — 3...37, цинка — 10...140 кг/ч.
Напыленный слой неустойчив к ударным, механическим, колебательным нагрузкам и к скручиванию.
Наибольшие объемы работ по напылению выполняют переносными (ручными) горелками ЭМ-ЗА, ЭМ-14 и станочными — КДМ-2, ЭМ-6, ЭМ-12. В зависимости от выполняемых операций применяют проволоки, которые приведены в табл. 14.2.
Таблица 14.2
Рекомендуемые материалы электродной проволоки
Твердость регулируется подбором исходного материала или режима охлаждения в процессе нанесения покрытия.
Плазменное напыление. Плазменное напыление — это процесс нанесения покрытий напылением, при которым для расплавления и переноса материала на поверхность детали используются тепловые и динамические свойства плазменной струи.
Устройство плазмотронов описано в разд. 13.2 (см. рис. 13.9). Попадая в плазменную струю, порошок расплавляется и приобретает определенную скорость полета, которая достигает наибольшей величины на расстоянии 50... 80 мм от среза сопла плазмотрона. На этом расстоянии целесообразно располагать деталь.
Преимущества плазменного напыления: этим способом удается наносить покрытия из всех материалов, которые не разлагаются и не испаряются при обычных температурах (окислы, нитриды, карбиды и многокомпонентные материалы, называемые псевдосплавами); затраты на получение азотной плазмы вдвое меньше стоимости кислородно-ацетиленового пламени при эквивалентных выделениях энергии; процесс позволяет полностью автоматизировать технологию; возможность нанесения покрытий на детали разнообразной конфигурации (плоские, криволинейные поверхности, тела вращения).
При плазменном напылении производительность плазмотронов составляет от 2 до 20 кг/ч. Однако по сравнению с электродуговым напылением плазменное имеет меньшую производительность.
Технологический процесс подготовки поверхностей при плазменном напылении покрытий на изношенные цилиндрические поверхности деталей типа «вал», а также фигурные и плоские поверхности, износ которых не превышает 1,0...1,5 мм, предусматривает следующие операции:
очистку деталей от грязи, масляных и смолистых отложений, а при неравномерном их износе — механическую обработку для устранения неровностей и придания поверхности правильной геометрической формы;
сушку деталей после промывки в сушильном шкафу при температуре 80... 150 °С или обдувку сжатым воздухом;
механическую обработку в зависимости от вида детали и места напыления. Поверхности деталей типа «вал», которые не подвергались закалке и химико-термической обработке, протачивают на токарном станке на глубину не менее 0,1 мм на сторону. Поверхности под подшипники обрабатывают резанием. Коренные и шатунные шейки коленчатого вала шлифуют на круглошлифовальном станке;
дополнительная промывка отверстий, масляных каналов, пазов в ацетоне с помощью капроновых или щетинных «ершей»;
обработка отверстий масляных каналов, используя для этого угловые шлифовальные круги и бормашины (типа ИП-1011). Шлифуют фаски под углом 45 ° на глубину 1,5... 2,0 мм. Масляные каналы и отверстия закрывают графитовыми пробками на глубину 3...5 мм так, чтобы они выступали над поверхностью на 1,5...2,0 мм;
специальная механическая обработка выполняется в случае нанесения покрытий толщиной более 1,0 мм или при эксплуатации детали в условиях повышенных нагрузок, особенно срезающих. Основные виды специальной механической обработки: нарезка «рваной» резьбы, фрезерование канавок, насечка поверхности, накатка резьбы роликом;
абразивно-струйная обработка выполняется для получения требуемой шероховатости. Шероховатость поверхности после обработки должна быть 10...60 мкм в зависимости от материала детали. Все отверстия и каналы перед абразивно-струйной обработкой закрывают стальными или графитовыми пробками, а также различными заглушками. Абразивно-струйная обработка ведется в специальных камерах (например, типа 026-07.00.000 «Ремдеталь»). Режимы обработки: давление сжатого воздуха — 0,3...0,6 МПа, дистанция обдува — 50... 100 мм, угол атаки струи — 75...90°. В качестве абразивных материалов используют электрокорунд с зернистостью 80... 150 мкм или металлическую дробь ДЧК, ДСК номера 01, 02, 03, 05. Металлический абразив не должен иметь следов ржавчины. Металлическая дробь применяется для обработки материалов с твердостью до HRC 40, кроме материалов с высокой вязкостью. Абразив из электрокорунда может быть использован до 30 раз, металлическая дробь — 60... 90 раз. Электрокорунд после пяти-семикратного использования необходимо просушить при температуре 200... 250 °С в течение 3,5 ч и отделить мелкую фракцию (менее 100 мкм). После абразивно-струйной обработки детали обдувают сухим воздухом для удаления частиц абразива с поверхности.
Для поверхностей деталей, имеющих местный износ не более 2...3 мм, при подготовке выполняют следующие операции: очистка деталей от грязи; очистка деталей от масляных и смолистых отложений; предварительная механическая обработка; абразивно-струйная обработка поверхностей детали электрокорундом зернистостью 500...800 мкм в струйных камерах.
Восстановление изношенных деталей плазменным напылением выполняют на специализированных участках. Их необходимо укомплектовывать установкой для газотермического напыления, плазменной установкой, источником питания, установкой для охлаждения оборотной воды, камерой для струйной обработки деталей, установкой для определения зернового состава порошков, электропечью, водяным насосом, масловлагоотделителем, техническими весами (предел взвешивания не менее 5 кг), слесарными верстаками и стеллажами для хранения порошков, абразива и деталей.
Для охлаждения плазменных горелок и источника питания желательно использовать дистиллированную воду.
Приведем режимы напыления в зависимости от напыляемого материала. Состав плазмообразующего газа: аргон — 70...95 %, азот — 530%; расход газа (л/мин): плазмообразующего — 35...45, транспортирующего — 6...9; сила тока — 280...370 А, напряжение дуги 45...50 В, дистанция напыления 80...120 мм; частота вращения Детали — 20...40 мин~'.
Напыленные плазменные покрытия обладают повышенной твердостью, хрупкостью и пониженной теплопроводностью из-за оксидных включений и пор в слое покрытия. Отрицательное влияние оказывает качество напыленного плазменного покрытия и разница в коэффициентах термического напряжения, возникающая в процессе напыления. Все это предопределяет ряд особенностей последующей обработки покрытия. Применение обычных режимов в процессе механической обработки приводит к возникновению трещин, сколов и дополнительных термических напряжений. Для механической обработки плазменных покрытий необходимо Использовать алмазный инструмент. Приступать к чистовой обработке деталей с плазменным покрытием следует не ранее чем через 24 ч после напыления в связи с необходимостью полной релаксации внутренних напряжений в деталях и покрытиях. При правильном шлифовании покрытие не должно выглядеть глянцевым или полированным. Шлифование проводится с подачей фильтрованной охлаждающей жидкости (наилучшим вариантом является вода с добавкой 5% эмульсола при расходе 0,6...0,85 л/мин).
Высокочастотное напыление. Плавление исходного материала покрытия (проволоки) происходит за счет индукционного нагрева, а распыление — струей сжатого воздуха. Головка высокочастотного аппарата (рис. 14.3) имеет индуктор, питаемый от генератора ТВЧ, и концентратор тока, который обеспечивает плавление проволоки на небольшом участке ее длины.
Высокочастотное напыление предназначено только для стационарных работ, так как подвод электроэнергии осуществляется от мощных генераторов ТВЧ, используемых для поверхностной закалки. Преимущества высокочастотного напыления — небольшое окисление металла, относительно высокая механическая прочность покрытия. Недостатки — недостаточная производительность процесса, сложность конструкции, высокая стоимость оборудования и энергоносителей.