2336

напылении стальных сплавов. Скорость перемещения пятна напыления относительно детали – 30...50 м/мин.

При использовании в качестве электродов проволок из двух различных

металлов можно получить покрытие из их сплава. При напылении покрытия распылением двух плавящихся электродов из разнородных напыляемых материалов желательно использовать такое оборудование, которое позволяет выполнять индивидуальную настройку скорости подачи каждого электрода.

Недостатком способа электродугового напыления является перегрев и окисление вещества напыляемого материала. Кроме того, большое количество теплоты, выделяющейся при горении электрической дуги, приводит к значительному выгоранию легирующих элементов, входящих в напыляемый сплав (например, содержание углерода в материале покрытия снижа-

ется на 40–60 %, а кремния и марганца – на 10–15 %). Это необходимо

иметь в виду и применять для напыления проволоку, содержащую повышенное количество легирующих элементов.

Электродуговое напыление характеризуется надежной устойчивостью

при соблюдении оптимального режима напыления, но при неизменной

мощности источника дугового разряда увеличение скорости подачи прово-

локи как компактного исходного напыляемого материала нарушает стабильность горения дуги, возникают токи короткого замыкания, качество покрытия снижается. При работе на переменном токе целесообразно использовать проволоку большего диаметра (2,5 мм), и вести процесс на пониженной скорости подачи напыляемого материала.

Преимуществами электродугового напыления являются высокая про-

изводительность процесса и возможность значительного сокращения за-

трат времени на напыление.

Применяют ручное и механизированное напыление. В первом случае

технологические перемещения аппарата осуществляют вручную. Механи-

зированные установки имеют устройство для перемещения распылителей

относительно напыляемой поверхности. В практике напыления использу-

ют металлизаторы мощностью 5...20 кВт, потребляющие ток силой 80...600

А при напряжении 18...36 В. Выпускают аппараты для электродугового

напыления: стационарные (станочные) ЭМ-6, ЭМ-12, ЭМ-15 и МЭС-1 и переносные (ручные) ЭМ-3, РЭМ-ЗА, ЭМ-9, ЭМ-10, ЭМ-14. Краткие технические характеристики их приведены в табл. 4.4.

Разновидностью электродугового напыления является активированное электродуговое напыление.

Сущность активированного электродугового напыления состоит в рас-

пылении металла и его защите от воздействия воздуха продуктами сгорания углеводородного топлива. Эта технология позволяет получать слои с прочностью сцепления до 55 МПа и плотностью до 95 %, что расширило диапазон восстанавливаемых деталей.

121

Таблица 4 . 4

Характеристика металлизаторов

В качестве устройства для нанесения покрытий применяют активированный дуговой металлизатор типа АДМ конструкции Института надежности машин НАН Беларуси. Работа этого металлизатора основана на использовании восстановительных транспортирующих газов с особой схемой их подачи через профилированные сопла, применении камеры сгорания в системе подачи газов, особенностях взаимного расположения токопроводов и распыляющего сопла. Скорость газового потока при этом достигает

1500 м/с, а скорость частиц наносимого материала – 590 м/с. Угол раскры-

тия струи не превышает 10°. Пористость покрытия при этом снижается с

9...11 до 2...4 %. При равном соотношении воздуха и пропана в горючей

смеси содержание углерода в покрытии уменьшается вдвое по сравнению с

исходным материалом.

Скоростной напор потока газов, выражающий отношение кинетиче-

ской энергии к единице объема газа и характеризующий силу, действующую на частицу в потоке, составляет для традиционного электродугового

напыления 750 кН/(м2-с), а для активированного – 2340 кН/(м2-с), что

обеспечивает большую скорость частиц наносимого материала и формирование покрытия с прочностью соединения вдвое выше, чем при традици-

онном напылении, что достаточно для работы покрытия в условиях удар-

но-абразивного изнашивания.

Используют проволочные материалы: Нп-65Г, Нп-40Х13, Св-08Г2С. Повышение твердости покрытия является следствием химико-тер-

мических процессов (цементации) при напылении в этих веществах за счет диссоциации углеводородных соединений, абсорбции и диффузии углерода в покрытии.

122

4.4. Газопламенное напыление

Сущность газопламенного напыления заключается в нагреве напыляе-

мых материалов газовым пламенем и транспортировании их на восстанавливаемую поверхность скоростным газовым потоком. Напыляемый материал подается в зону нагрева в виде порошка (рис. 4.4), прутка (проволоки) (рис. 4.5), а также в виде набивного шнура.

Рис. 4.4. Принципиальная схема газопламенного напыления порошка: 1 – сопло; 2 – газовое пламя; 3 – покрытие; 4 – напыляемая поверхность

Рис. 4.5. Принципиальная схема газопламенного напыления проволокой: 1 – смесительная камера; 2 – канал подачи кислорода; 3 – проволока; 4 – направляющая втулка; 5 – канал подачи ацетилена; 6 – канал подачи сжатого воздуха; 7 – ацетилено-кислородное пламя; 8 – газометаллическая струя; 9 – напыляемая поверхность

Тепло для нагрева материала получают путем сжигания ацетилена или пропан-бутана в кислороде, а переносится материал сжатым воздухом или

продуктами сгорания углеводородного топлива. Распыленные металличе-

123

ские частицы, летящие со скоростью 120 м/с, попадают на подготовленную поверхность детали и формируют покрытие. Скорость газового потока –

150...160 м/с.

Порошок подают, как правило, вдоль оси факела в его внутреннюю часть под действием транспортирующего газа или собственного веса. Проволоки и шнуры подают в восстановительную часть пламени.

Для восстановления деталей применяют три вида газопламенного напыления: без оплавления, с последующим оплавлением, с одновременным оплавлением.

Первый вид напыления – без оплавления – служит для восстановления деталей, не испытывающих деформации, температуру менее 350 °С и знакопеременные нагрузки. Покрытия без оплавления наносят при восстановлении наружных и внутренних цилиндрических поверхностей подвижных

и неподвижных соединений при невысоких требованиях к прочности со-

единения с основным материалом.

Оплавление покрытий выполняют газокислородным пламенем, в ин-

дукторе или другим источником тепла для покрытий толщиной

0,5...1,8 мм. Нанесенное покрытие оплавляют при восстановлении наруж-

ных и внутренних цилиндрических поверхностей подвижных и неподвиж-

ных соединений при повышенных требованиях к коррозионной стойкости и износостойкости. Газопламенным напылением восстанавливают широкую номенклатуру деталей – привалочные поверхности корпусных деталей, малогабаритные валы и оси, детали со сложной формой и профилем.

4.5. Плазменное напыление

Как технологический способ нанесения газотермического покрытия плазменное напыление выделяется возможностью использования плазменной струи, в потоке которой частицы напыляемого материала химически

не разлагаются и не испаряются при высоких температурах (металлы и

сплавы, оксиды, карбиды, нитриды).

Мощность плазмотрона при неизменном токе разряда зависит от его конструкции, межэлектродного пространства и от рода плазмообразующего газа (носителя частиц): аргона, азота, водорода, гелия и смесей этих газов (табл. 4.5).

Плазменное покрытие отличается от других технологических газотер-

мических покрытий улучшенными эксплуатационными показателями, но

сама возможность нанесения плазменного покрытия и его эксплуатацион-

ные качества реализуются только в условиях специализированного производства с высоким уровнем культуры прогрессивных технологий, находящихся в технологической цепочке плазменного напыления.

124

Таблица 4 . 5 Физико-химические характеристики плазмообразующих газов

Исходными технологическими материалами плазменного напыления являются порошки тугоплавких металлов, оксидов, твердых сплавов, композиционных материалов, но получение требуемого покрытия, функцио-

нальные (эксплуатационные) характеристики которого отвечают физико-

механическим возможностям напыляемых материалов, возможно только в случае соблюдения ряда технических условий, предъявляемых порошковым материалам и способу их доставки в зону плазменной струи: неизмен-

ность химического и гранулометрического состава, стабильность массовых соотношений транспортирующего газа и напыляемого порошка, подаваемых в зону плазменного напыления.

Источником энергии плазменного напыления является мощный дуговой разряд, при котором температура электрической дуги колеблется в диапазоне 5230…15700 °С. Электрическая дуга зажигается между вольф-

рамовым неплавящимся катодом и водоохлаждаемым медным анодом – соплом, через который непрерывно под давлением прокачивается плазмо-

образующий газ, выполняющий роль рабочей среды.

В промышленных плазменных горелках плазменную струю получают путем вдувания в электрическую дугу, возбужденную между электродами,

плазмообразующего газа и его газодинамического обжатия в канале охлаждаемого сопла.

По специальному каналу в плазменную струю вдувается напыляемый

порошковый материал, частицы которого, нагреваясь, одновременно приобретают высокую скорость. Схемы процессов плазменного напыления представлены на рис. 4.6 и 4.7.

125

Выбор конкретного напыляемого материала определяется эксплуатационными характеристиками защитного (упрочняемого) газотермического

покрытия, а также значением дисперсности порошка как исходного техно-

логического материала. Для плазменного газотермического покрытия необходимо использовать порошки тонкодисперсного гранулометрического состава.

Рис. 4.6. Принципиальная схема плазменного напыления: а) для работы на порошках; б) для работы на проволоке;

1 – сопло плазменной струи (анод); 2 и 3 – подвод и отвод охлаждающей воды; 4 – изолирующее кольцо; 5 – подвод плазмообразующего газа;

6 – вольфрамовый электрод (катод); 7 – подача напыляемого порошка; 8 – контактное устройство для проволоки; 9 – напыляемая проволока (анод);

10 – направляющая трубка для проволоки

Стабильность термодинамического состояния плазменного факела по-

зволяет использовать для напыления газотермических покрытий с задавае-

мыми характеристиками поверхностного упрочнения композиционные порошковые мате-

риалы, подразделяющиеся на термореактивные и термонейтральные. Термореактивные порошковые материалы позволяют использовать энергию плазменного факела для интенсивного агрегатно-фазового превращения веществ, входящих в частицы композиционных порошковых материалов, и синтезирования нового химического вещества на базе взаимодействия исходных. Термонейтральные порошковые материалы отличаются склонностью к сохранению исходного вещества напыляемого материала. В табл. 4.5 приведен со-

став компонентов композиционных порошко- Рис. 4.7. Схема процесса: вых материалов, получивших широкое приме-

1 – фильтр; 2 – порошок;

3 – плазмотрон; нение при получении плазменных покрытий.

4 – дробеметная машина;

5 – манипулятор

126

Таблица 4 . 6 Состав компонентов композиционных материалов

Термореактивные композиции

Использование устойчивого термодинамического состояния плазменного факела является необходимым условием получения качественного газотермического покрытия, но это возможно только при стабилизации порционного расхода порошка как исходного напыляемого материала.

Для нанесения коррозионностойких газотермических покрытий ис-

пользуют алюминиевую проволоку типа АД1, проволоку алюминиевых

сплавов типа АМц, проволоку из материала коррозионностойких сталей,

которые используют обычно в производстве сварочных соединений, а так-

же проволоку из аустенитной низкоуглеродистой коррозионной стали типа

12Х18Н10Т.

Проволоки из алюминиевой бронзы, например марки БрА10, приме-

няют для нанесения антифрикционных покрытий. Такие покрытия отличаются высокой плотностью, хорошо обрабатываются.

Для антифрикционных покрытий подшипников скольжения ответст-

венного назначения, работающих при больших давлениях и высоких скоростях, может быть использована проволока из баббита с высоким содержанием олова.

4.6. Детонационное напыление

При детонационном напылении наносимые частицы приобретают

энергию во время горения и перемещения ацетиленокислородной смеси в стволе пушки. Детонация – особый вид горения газообразного топлива. Она возникает в начальный период горения смеси и распространяется по трубе со скоростью 2000...3000 м/с. Температура горения смеси при детонационном напылении достигает 5700 К, а развиваемое давление – сотен мегапаскалей. Скорость полета наносимых частиц – 600...800 м/с, а их температура до 4000 К. Покрытия имеют малую пористость (до 0,5 %) и высокую прочность соединения с подложкой (до 200 МПа).

127

Наносимые частицы нагреваются за счет теплообмена с высокотемтературной газовой средой и перемещаются ударной волной, возникшей в

результате детонации горючей газовой смеси в стволе установки.

Установка детонационного напыления (рис. 4.8) включает охлаждаемый закрытый с одного конца ствол 5 длиной 1200...2000 мм и диаметром 8...40 мм. Внутренняя полость ствола вблизи торцовой стенки образует взрывную камеру 3. В ее стенке установлено запальное устройство 2 и клапанное устройство для подачи горючего и окислительного газов. В торце ствола имеется порошковый питатель 1. На расстоянии 150...200 мм от среза ствола перпендикулярно к оси располагают восстанавливаемую поверхность детали.

Рис. 4.8. Схема установки для детонационного напыления: а – базовый вариант; б – модернизированный вариант;

1 – порошковый питатель; 2 – запальное устройство; 3 – взрывная камера; 4 – смесительная камера; 5 – ствол; 6 – покрытие;

7 – восстанавливаемая деталь

В установке имеется камера смешивания горючих газов с окислителем.

Смешивание газов необходимо для равномерного распределения газовой смеси вдоль ствола. Газовые потоки в камере смешивания движутся под углом друг к другу или закручиваются.

Предусмотрено устройство, исключающее обратные удары из детонационной камеры в коммуникации и агрегаты установки. Ввиду того что водные затворы неэффективны, применяют газовые буфера, пламегасители и огнепреградители.

Для зажигания горючей смеси достаточно энергии 9-10-4...10-6Дж.

Обычно применяют автомобильные свечи, воспроизводящие индукционную искру с энергией 0,05...0,20 Дж.

Установка работает следующим образом. С помощью транспортирующего газа (азота или воздуха) во взрывную камеру подают порцию порош-

128

ка массой 50...200 мг, а через клапанное устройство под давлением 0,12...0,20 МПа – горючую смесь (ацетилен – кислород или пропан – бутан –

кислород). В качестве горючих газов можно также применять водород, ме-

тан (природный газ) и другие углеводороды. Окислителем может быть и воздух. Между электродами запального устройства инициируют электрическую искру, которая поджигает горючую смесь.

В начале процесс горения смеси горючий газ – кислород протекает со сравнительно небольшой скоростью. Горение горючих газов под атмосферным давлением в окислительной среде (воздухе или кислороде) в ламинарном или турбулентном режиме сопровождается как непрерывным расширением и перемещением его продуктов со скоростью до 10...15 м/с, так и сжатием несгоревшей газовой среды за фронтом пламени. Это сжатие в ограниченном объеме и теплопередача от очага горения к несгорев-

шей части смеси повышают температуру и давление этой части смеси. При

достижении критических значений этих величин газовая среда самовоспламеняется и сгорает со скоростью взрыва. Данное явление представляет

собой детонацию.

Таким образом, детонация – это процесс взрывного горения горючей

смеси с последующим образованием ударной волны. Эта волна перемеща-

ется от очага горения (к открытому от днища концу трубы и навстречу фронту первого пламени). Отраженная от днища взрывная волна увлекает навеску порошка и перемещает ее наружу вдоль оси ствола со сверхзвуковой скоростью. После достижения открытого конца ствола детонационная волна затихает на расстоянии за ним примерно 100 мм.

Химическая энергия горения смеси расходуется на нагрев и расшире-

ние газа, перемещение и нагрев навески порошка. Высокая температура

нагрева напыляемого материала в некоторых случаях приводит даже к его

испарению. Кинетическая энергия частиц в 1000 раз превосходит кинети-

ческую энергию частиц при плазменном напылении. Превращение кинети-

ческой энергии частиц напыляемого материала в момент удара в тепловую

энергию материала, обеспечивает высокую прочность покрытия и отсутст-

вие пористости.

Процесс завершается продувкой ствола инертным газом. Цикл работы

повторяется через 0,2...0,5 с.

Частота цикла детонационного устройства для напыления покрытий может быть увеличена до 15 Гц и выше. Непрерывная автоматическая подача порошков и газов при этом упрощает технологию и оборудование.

При детонационном напылении, как и при газопламенном и плазменном, применяют металлические, оксидно-керамические, композитные и

другие порошки. Порошки не должны реагировать с продуктами сгорания. Средний размер частиц порошка 10...50 мкм. Детонационное напыление нашло применение при нанесении защитных и износостойких покрытий из

129

оксидов алюминия и карбидов вольфрама, карбидокобальтовых сплавов и хрома на наружные поверхности.

Единичное пятно наносимого материала массой 50...100 мг имеет диа-

метр около 2мм и толщину 3...5 мкм. Совмещение пятен во время нанесения покрытия обеспечивает его суммарную толщину 0,02...0,40 мм. Производительность процесса невысокая. Для создания покрытия равномерной толщины деталь перемещают относительно канала ствола.

При разработке детонационного напыления учитывают такие особенности.

Ствол установки определяется следующими параметрами:

формой канала,

чистотой его поверхности,

наличием форкамеры,

отношением длины к диаметру и др.

Диаметр ствола принимают равным 8 мм. С уменьшением этого диаметра затрудняется детонационный взрыв и возрастают тепловые потери. Длина ствола обеспечивает получение необходимой скорости напыляемых частиц.

Вид и расход газа принимают исходя из производительности процесса и необходимой температуры продуктов горения.

Диаметр частиц составляет 10...50 мкм. Подача детали за цикл не более половины диаметра пятна. Коэффициент использования материала –

30...60 %. Плотность частиц по пятну контакта составляет 103...105 час-

тиц/(см2с).

Детонационные покрытия наносят с помощью установок «Днепр-2»,

«Днепр-3» (разработчик Институт порошковой металлургии (ИПМ) НАН

Украины, сокращенно ИПМ НАН Украины) и «Катунь» (разработчик –

НПО «Анитип», г. Барнаул). Модели установок – АДК, АДК-1, ДНП-5,

АДУ-СП и др. Технические характеристики некоторых установок приведены ниже.

Технические характеристики автоматического

130