Мураткин ОВ иРА для заочников / учебное пособ ОВДиРА

4.Какие способы предварительной подготовки поверхностей деталей Вы знаете?

5.Какие требования предъявляются к технологическим параметрам процесса напыления покрытий для того, чтобы обеспечить высокую прочность сцепления покрытия с основным металлом?

6.Почему остаточные напряжения растяжения снижают прочность сцепления покрытия с основным металлом?

4.3.3.Способы восстановления деталей напылением

Газопламенное напыление применяют для восстановления изношенных поверхностей ответственных деталей автомобиля, которые эксплуатируются в тяжелых условиях. В частности, газопламенным напылением восстанавливаются изношенные кулачки распределительных валов, шейки коленчатых валов, рабочие поверхности выпускных клапанов и др.

Рис. 4.51. Схема газопламенного напыления: 1 – восстанавливаемая деталь;

2 – покрытие; 3 – сопло горелки; 4 – пламя; 5 – присадочная проволока; 6 –

механизм подачи проволоки; 7 – скользящий контакт

При газопламенном напылении нагрев напыляемого материала (порошок,

проволока, пруток) осуществляют теплотой сгорания смеси горючего газа с кислородом и распыление проводят струей сжатого воздуха, находящегося под

давлением 0,6 МПа (рис. 4.51.). При этом сжатый воздух должен быть очищен от примесей масла и влаги. Для его очистки применяются специальные фильтры (маслоотделители) поглощающего типа.

При напылении порошком используют горелки для газопорошкового напыления, которые при механизированной металлизации крепят на суппорте токарного станка. Конструкция этих горелок аналогична конструкции сварочных горелок (рис. 4.52.), но отличаются от них принципом работы и наличием бункера для порошкового материала. Порошок из бункера через клапан, размещенный в корпусе горелки, под действием инжекторного эффекта, создаваемого потоком кислорода и горючего газа всасывается в сопло горелки, где разгоняется газовым потоком до большой скорости. На выходе из сопла порошок попадает в пламя, в котором он разогревается до вязкотекучего состояния. Увлекаемые газовым потоком частицы порошка наносятся на предварительно подготовленную восстанавливаемую поверхность.

Рис. 4.52. Устройство сварочной горелки: 1 – мундштук; 2 – пламя; 3 –

сварочная ванна; 4 – наплавленный слой; 5 – трубка; 6 – канал; 7 –

ацетиленовая трубка; 8 – кислородная трубка; 9 – камера смешивания; 10, 12 –

инжекторы; 11 – смесительная камера; 13 – порошок

В зависимости от материала детали и условий еѐ эксплуатации после напыления иногда проводят оплавление покрытия. В основном это делается для покрытий из самофлюсующихся сплавов. Оплавление газовой горелкой позволяет уменьшить пористость покрытия, повысить прочность сцепления покрытия с основным металлом и прочность сцепления между самими частицами покрытия (когезию). Восстановленные таким образом детали обладают высокой коррозионной стойкостью, износостойкостью против абразивного изнашивания и хорошо работают в условиях высоких рабочих температур. Газопламенное напыление с последующим оплавлением дает возможность восстанавливать детали с износом более 2,5 мм.

Для получения покрытия равномерной толщины необходимо, чтобы толщина напыляемого слоя за один проход не превышала 0,25 мм. В этой связи толстые покрытия необходимо напылять за несколько проходов.

Технологический процесс газопламенного нанесения покрытий в основном состоит из четырех этапов:

1.предварительный нагрев поверхности детали до температуры

200…250С;

2.нанесение подслоя, который дает основу, необходимую для наложения слоев покрытия;

3.нанесение основных слоев, позволяющих получить покрытие с необходимыми физико-механическими свойствами;

4.последующий нагрев восстанавливаемой детали, например, токами высокой частоты с целью оплавления покрытия.

Преимущества газопламенного напыления:

высокая производительность процесса нанесения покрытий;

локальность обработки;

незначительное термическое воздействие на подложку;

возможность нанесения покрытий на изделия больших размеров;

отсутствие ограничений на сочетание материалов покрытия и подложки.

Недостатки газопламенного напыления:

относительно высокая стоимость покрытия;

сложность установки для газопламенного напыления, включающей,

кроме газовой горелки, устройства для очистки сжатого воздуха,

источники горючего газа и кислорода.

Электродуговое напыление характеризуется высокой производительностью и экономичностью. При электродуговом напылении создаваемая температура нагрева (более 4000С) напыляемого материала выше,

чем при напылении порошка ацетиленокислородным пламенем (3100С), что позволяет наносить на восстанавливаемые поверхности тугоплавкие материалы. Кроме того, электродуговой металлизацией на переменном токе,

обеспечивающей крупный распыл, можно получать жаростойкие покрытия.

Рис. 4.53. Схема электродугового напыления: 1 – восстанавливаемая деталь; 2 – покрытие; 3 –электрическая дуга; 4 –скользящий контакт; 5 –

присадочная проволока; 6 – механизм подачи проволоки; 7 – сопло для подачи воздуха

В авторемонтном производстве электродуговой способ напыления реализуется переносными (ручными) металлизаторами проволочного типа. Во время их работы механизм подачи перемещает через скользящие электрические контакты две изолированные электродные проволоки (рис. 4.53.). На выходе из наконечников проволоки сближаются и между ними создается электрическая дуга, которая мгновенно расплавляет металл. Струя сжатого воздуха под

давлением 0,6 МПа распыляет расплавленный металл на мельчайшие частицы и наносит их на предварительно подготовленную восстанавливаемую поверхность детали.

Производительность электродуговых металлизаторов и качество покрытий при работе на постоянном токе выше, чем на переменном. Это обусловлено отсутствием пульсации электрической дуги, которая возникает при работе на переменном токе. При электродуговом напылении на постоянном токе процесс протекает стабильно, обеспечивая получение покрытия с мелкозернистой структурой. Поэтому в большинстве случаев для электродугового напыления применяют источники постоянного тока со стабилизаторами напряжения.

При использовании в качестве электродов проволок из двух разных металлов можно получить покрытие из их сплава, так называемый псевдосплав.

Для нанесения антифрикционных покрытий из псевдосплавов (стале-медных,

стале-алюминевых, стале-медно-свинцовых и др.) применяют трехпроволочные электродуговые металлизаторы, которые позволяют одновременно распылять два или три различных металла. Такие покрытия из недефицитных металлов отличаются высокими антифрикционными свойствами и используются вместо специальных бабитов или бронз.

Высокочастотная металлизация основана на использовании принципа индукционного нагрева. При перемещении сварочной проволоки в переменном электромагнитном поле, создаваемом специальной катушкой-индуктором, в

ней индуктируются вихревые токи (рис. 4.54.). Эти токи вызывают постепенный нагрев материала проволоки по мере еѐ продвижения, но полное расплавление напыляемого материала происходит при помощи концентратора вихревых токов уже на выходе из головки металлизатора. Транспортировка расплавленных частиц металла к напыляемой поверхности осуществляется потоком сжатого воздуха.

Рис. 4.54. Схема высокочастотной металлизации: 1 – восстанавливаемая деталь; 2 – покрытие; 3 – индуктор; 4 – концентратор вихревых токов; 5 –

присадочная проволока; 6 – механизм подачи проволоки; 7 – скользящий контакт

Возможность управления температурой нагрева сварочной проволоки с помощью вихревых токов позволяет свести к минимуму выгорание легирующих элементов и снизить окисление металла проволоки.

Следует отметить недостаточно высокие адгезионные свойства стальных покрытий (25 МПа), напыленных этим способом. В этой связи высокочастотная металлизация не рекомендуется для восстановления деталей, работающих при трении без смазочных материалов.

В последнее время всѐ большее применение в ремонтном производстве находит плазменное напыление. Сверхвысокие температуры плазменного напыления (плазменная струя имеет температуру 10000…35000 С) позволяют наносить тугоплавкие материалы, напылять материалы без их разложения,

получать покрытия без окислов, наносить многослойные покрытия с высокой

(до 98%) плотностью и обеспечивать большую прочность сцепления покрытия с основным материалом, в том числе, с пластмассой и деревом. Благодаря небольшому нагреву подложки при этом способе нанесения покрытий практически отсутствует коробление изделий.

Плазменное напыление основано на способности газов при определенных условиях переходить в состояние плазмы.

Рис. 4.55. Схема плазменной металлизации: 1 – восстанавливаемая деталь;

2 – покрытие; 3 – анод; 4 – катод; 5 – водоохлаждаемое сопло; 6 – плазма

При возбуждении электрической дуги между неплавящимися вольфрамовыми электродами плазмотрона (рис. 4.55.) и под действием повышенного давления плазмообразующего газа (аргона, гелия или их смесей с водородом) происходит его ионизация, т.е. образуется плазма. Плазма,

представляющая собой интенсивный поток частично или полностью ионизированного газа, обладает высокой электрической проводимостью,

которая способствует устойчивому горению дуги и вытягиванию плазменной струи, в результате чего она принимает вид столбика. После образования плазмы напыляемый материал вместе с транспортирующим его газом подается в небольшое отверстие вблизи выхода из сопла, т. е. вдувается в наиболее высокотемпературную область плазменной струи. Напыляемый материал,

приготовленный в виде мелкогранулированного порошка (размеры частиц составляют 40…70 мкм), проходя с высокой скоростью через высокотемпературную плазму, успевает нагреться в основном лишь до пластического состояния. Однако благодаря высокой скорости течения плазменной струи (2000 м/с) частицы порошка приобретают значительную

кинетическую энергию, с которой соударяются с восстанавливаемой поверхностью. При ударе о поверхность они расплющиваются и, внедряясь в ее поры и неровности, образуют покрытие. Выделяющееся и при соударении теплота обеспечивает оплавление и прочное сцепление частиц между собой и с поверхностью исходной заготовки.

При плазменном напылении следует выдерживать оптимальное расстояние от среза сопла до поверхности изделия, величина которого зависит от параметров режима напыления, от материала покрытия и исходной заготовки и изменяется в интервале 80…120 мм.

В настоящее время для плазменного нанесения покрытий широко используется высокотехнологичное оборудование фирмы «Метко» (США).

Одной из последних разработок этой фирмы является универсальная плазменная установка марки «Метко 7М». Установка снабжена плазменным распылителем со сменными узлами для нанесения покрытий в ручном и механическом режиме на наружную или внутреннюю поверхности изделий.

Шкаф управления установки, имеющий все необходимые приборы для контроля за процессом напыления, обеспечивает синхронное включение установки в такт подачи детали. Используемый плазмотрон «Метко 7МБ» имеет сопло специальной конфигурации для создания сверхзвуковой струи,

которая образует в зоне напыления динамический вакуум.

В качестве недостатка плазменной металлизации необходимо отметить достаточно большую стоимость и сложность конструкции реального плазмотрона. Она содержит полости для циркуляции дистиллированной воды,

охлаждающей нагреваемые части сопла, устройства для регулирования дуги и подачи напыляемого порошка. Также к недостаткам плазменной металлизации следует отнести наличие сильного шума во время напыления. Шум возникает вследствие генерации активных звуковых колебаний, обусловленных большой скоростью истечения плазменной струи.

В заключение раздела следует в целом отметить преимущества металлизации напылением:

получения пористого покрытия, хорошо впитывающего смазку и обеспечивающего работу сопряжений трущихся деталей в режиме масляного голодания;

малый нагрев восстанавливаемой детали и, как следствие, отсутствие ее коробления и изменения свойств, полученных при термообработке;

возможность получения разнообразного состава напыляемого слоя,

включая износостойкие твердосплавные составляющие - карбиды

титана, бора и т.п.

Недостатки восстановления деталей металлизацией:

склонность напыленного слоя к отслоению от поверхности основного металла заготовки вследствие недостаточной адгезионной прочности;

высокие требования к качеству подготовки поверхности детали под напыление (требуется тщательное обезжиривание, создание особого микрорельефа поверхностей, активация материала поверхностного дробе - и пескоструйной обработкой непосредственно перед нанесением покрытия);

снижение усталостной прочности деталей;

высокие требования к поддержанию на заданном уровне технологических параметров процесса напыления.

Каждый из газотермических способов нанесения упрочняющих и защитных покрытий имеет свою область применения. Так, если электродуговая металлизация и газопламенное напыление могут быть эффективно использованы в мелкосерийном ремонтном производстве, то плазменное напыление целесообразно применять на крупных ремонтных предприятиях.

Контрольные вопросы

1.Какие основные способы напыления покрытий Вы знаете?

2.Какими отличительными особенностями обладает электродуговая металлизация?

3.В чем заключается сущность газопламенного напыления покрытий?

4.Какие преимущества имеет способ газоплазменного напыления покрытий?

5.Какой вид тепловой энергии используется для расплавления напыляемого материала при высокочастотной металлизации?

4.3.4.Способы модификации покрытий и новые виды напыления

Внастоящее время существует устойчивая тенденция по улучшению структуры и свойств газотермических покрытий комбинированными методами и дополнительными обработками. Например, комбинированный способ плазменного напыления, в котором процесс нанесения покрытий совмещен с ультразвуковой обработкой позволяет через совершенствование структуры напыленного материала повысить прочность и твердость покрытия, а также снизить пористость и уровень остаточных напряжений растяжения.

Времонтном производстве начинают осваиваться способы изостатического, гидростатического детонационного прессования напыленных покрытий. К этим способам также можно отнести способ «Hi-Pac», при котором напыленное покрытие подвергается газостатическому сжатию. В

результате такого прессования напыленного материала снижается пористость и повышается когезионная и адгезионная прочность покрытий.

Лазерное и электронно - лучевое упрочнение нанесенных покрытий дает возможность на порядок повысить их прочность сцепления с основой за счет оплавления, а также увеличить твердость и прочность напыленного металла путем создания упорядоченной мелкоблочной структуры. Повышение качества покрытий модифицированием нанесенного материала можно также производить ионно-лучевой обработкой, сущность которой заключается в бомбардировке поверхности пучком ионов и легировании металла практически любыми химическими элементами.

Изложенное выше показывает, что с целью повышения качества покрытий,

процесс их нанесения идет по пути усложнения за счет введения