4. Вибір та технічне обґрунтування газотермічних методів та матеріалів для відновлення деталі.
При аналізі доцільності відновлення деталі спочатку вибирають базовий варіант, тобто той з яким проводять порівняння. В якості базового варіанту приймають варіант, той що забезпечує найменші витрати. При порівнянні варіантів необхідно забезпечити тотожність по об’єму, якості і часу виконання відновлюваних робіт.
При порівнянні найліпшим вважається той варіант технологічного процесу, котрий забезпечує найбільший економічний ефект.
Плазмове напилення — газотермічне напилення, під час якого використовується струмінь електронів, іонів та нейтральних атомів газу, з якого утворюється плазма з використанням плазмотронів. Плазмове напилювання, під час якого плазмовий струмінь створюється за допомогою електричної дуги носить назву плазмово-дугове напилювання. При плазмовому напиленні покриття формується з дрібних розплавлених частинок, які переносяться на поверхню при розпилюванні плазмою дроту, стержнів, стрічок або порошку. У технологіях плазмового напилення велике значення мають час перебування частинок в плазмі і час доставки нагрітих частинок до підложки, вдосконалення плазмових установок, знання процесів, що протікають в низькотемпературній плазмі при напиленні покриттів.
Рисунок 4.1 – Плазмове напилення
1-сопло плазмотрона; 2- плазмовий струмінь; 3- індуктор.
Принцип плазмового напилення. Між катодом і мідним водоохолоджуваним соплом, що служить анодом, виникає дуга, що нагріває робочий газ, який поступає в сопло пальника та витікає з сопла у вигляді плазмового струменя. В якості робочого газу використовують аргон або азот, до яких іноді додають водень.
Порошковий наплавлюваний матеріал подається в сопло струменем транспортуючого інертного газу, нагрівається плазмою і з прискоренням переноситься на поверхню основного матеріалу для утворення покриття. Середня температура плазми на виході з сопла плазмотрона У потоці плазми частинки порошку нагріваються приблизно до 10000 К. Передача теплоти від плазми до порошкових частинок здійснюється в основному теплопровідністю і конвекцією. Слід зазначити, що швидкість частинок, що падають на деталь по перетину плями напилення розподіляється дуже нерівномірно і на периферії може бути в 3-4 рази меншою, ніж в центрі плями.
Під дією поверхневого натягу розплавлені частинки набувають форми сфери. Сферичні частинки на шляху до підложки остигають і, падаючи на поверхню деталі, розтікаються і кристалізуються. Чергові порції розплавлених частинок падають на частинки покриття, що вже кристалізувалися, тобто розплавлені частинки практично за весь час напилення падають на затверділу поверхню і утворюють пластинчасту структуру. Покриття формується шляхом послідовного укладання частинок, що деформуються. Процес супроводжується утворенням мікропорожнин, які заповнюються газом. Для зменшення пористості і підвищення однорідності напилюваних покриттів зменшують розмір напилюваних частинок. Проте дуже дрібні частинки (розмір фракції менше 10-20 мкм) часто виявляються непридатними. Швидка кристалізація частинок на поверхні деталі дозволяє одержувати покриття із структурою пересичених твердих розчинів. Якість покриття залежить від процесів, що протікають при взаємодії частинок з плазмою, і від процесів при формуванні покриття на поверхні деталі (якість контактів між частинками, швидка кристалізація і деформація частинок, взаємодія напилюваної речовини із зовнішнім середовищем). Найважливіше значення має середовище, в якому здійснюється процес осадження тих або інших покриттів.
Плазмове напилення може здійснюватися у вакуумі на повітрі або у контрольованій атмосфері. Як плазмо утворюючі гази можуть використовуватися Ar, Н2, Не, N2 або їх суміші. Істотне поліпшення властивостей покриттів досягається при використанні плазмового напилення у вакуумі.
Газополуменеве напилення. У процесі газополуменевого напилення металевий або полімерний порошковий, дротяний або шнуровий матеріал подається у полум'я ацетилен-кисневого або пропан-кисневого пальника, розплавляється і переноситься стисненим повітрям на поверхню виробу, де, остигаючи, формує покриття. Метод простий в освоєнні і застосуванні, може застосовуватися як в ручному, так і в автоматизованому режимах.
Рисунок 4.2 – Газополуменеве напилення
Сопло; 2 - Факел полум’я; 3 - Покриття; 4 - Основа.
Газополуменеве напилення характеризується наступними перевагами:
можливістю отримання покриттів товщиною до 10 мм (доцільна товщина від 0,5 до 5,0 мм);
високою продуктивністю процесу (до 10 кг/год);
відносно малою тепловою дією на основу (у межах 150...350 °С), що дозволяє наносити покриття на поверхні великого асортименту матеріалів, включаючи пластмасу;
можливістю регулювання складу пальної суміші, яка подається у пальник;
гнучкістю технологічного процесу та високою мобільністю обладнання, що дозволяє наносити покриття на деталі практично без обмежень їх розмірів, а в деяких випадках виконувати напилення на місці без демонтажу деталей;
відносно низьким рівнем шуму та випромінювання;
можливістю автоматизації процесу та встановлення в автоматичні лінії .
Основними недоліками газополуменевого способу нанесення покриттів є:
недостатня міцність зчеплення покриття з основою (5...45 МПа) при випробуванні на нормальний відрив;
наявність пористості (в межах 5...25%);
невисокий коефіцієнт використання енергії газополуменевого струменя на нагрівання порошкового матеріалу (2...12%).
Детонаційне напилювання — це технологія нанесення покриттів, у якій для розігрівання і розгону порошкоподібного матеріалу використовується енергія вибуху газової суміші. Порошковий матеріал внаслідок взаємодії з продуктами детонації набуває значної теплової та кінетичної енергій. В результаті детонаційного напилювання отримується детонаційне покриття[1]. Цей процес використовується для нанесення на поверхні продуктів із порошків металів, їх сплавів, оксидів, тугоплавких сполук, різних композицій, які не повинні розкладатися чи випаровуватись у продуктах детонації і повинні мати різницю між температурами плавлення та кипіння не менше, ніж 200 °С.
Детонаційне нанесення покриттів — дискретний процес, що здійснюється послідовним виконанням наступних операцій, які входять в одиничний цикл (постріл):
заповнення вибуховою газовою сумішшю ствола детонаційної гармати;
подавання з використанням технологічного (транспортного) газу порошку у ствол гармати;
вибух газової суміші у стволі (залежно від складу вибухової суміші швидкість детонаційної хвилі може досягти 3000 м/с, а температура продуктів детонації — 3200 °С);
внаслідок взаємодії з високотемпературними продуктами детонації частинки порошку нагріваються до пластичного чи рідинного стану і, на виході зі ствола, набувають швидкості 900…1500 м/с. При зіткненні частинок з поверхнею напилення на ній утворюється щільна пляма покриття. Далі цикл повторюється.
Швидкість і температура частинок залежить від виду горючого газу, співвідношення кисню та горючого газу в суміші, кількості в суміші технологічного газу (азоту або повітря), їх витрат, кількості введеного у ствол порошку, його густини та гранулометричного складу, конструкційних особливостей устаткування тощо.
Рисунок 4.3 – Детонаційне напилення
оброблювана деталь; 2- сопло; 3- інжекційний пристрій; 4- бункер з порошком і дозуючим пристроєм; 5- вибухова камера; 6- шумопоглинаючий пристрій; 7- свічка запалювання; 8- газорозподільний механізм; 9- електродвигун приводу; 10- система запалювання.
Переваги детонаційного методу:
висока адгезія покриття (80…250 МПа);
низька пористість покриття (0,5…1%);
відсутність деформації деталі, яка напилюється.
До основних недоліків відносяться:
високий рівень шуму в приміщенні, де відбувається детонаційне напилення покриттів, рівень якого досягає 140 дБ;
наявність продуктів згоряння суміші горючий газ—кисень з утворенням шкідливих компонентів (СО, вуглеводні сполуки, оксиди азоту, тощо);
наявність великої концентрації в навколишньому середовищі частинок порошку напилення.
низька продуктивність і недостатня надійність існуючого обладнання.
4.2 Вибір способу відновлення деталі
Таблиця 4.1 – Характеристики видів напилення
|
Вид напилення |
Товщина нарощеного шару |
Твердість покриття, HRC |
Міцність зчеплення на зсув, МПа |
Продуктивність, см2/хв. |
|
Газополуменеве |
0.2...2 |
38-55 |
10-15 |
10-60 |
|
Детонаційне |
1...2 |
35-50 |
80-120 |
10-60 |
|
Плазмове |
0.2...3 |
35-55 |
15-60 |
до 100 |
Порівнявши ряд переваг та недоліків існуючих методів нанесення покриття, порівнявши економічну доцільність використання цих методів та технологічну можливість використання наявного обладнання, обираємо саме плазмове напилення для відновлення “Валу ”, оскільки цей спосіб, у порівнянні із газополуменевим і детонаційним, має ряд переваг: дозволяє наносити покриття із матеріалів різного хімічного складу; висока продуктивність; повна автоматизація керуванням процесу.
Також, при даному виді напилення відсутня деформація деталі після відновлення, можливе відновлення деталей порівняно малих розмірів (мінімальний діаметр циліндричних деталей складає 10 мм), порівняно із іншими видами напилення найвищі характеристики продуктивності.
Цей спосіб покриття широко застосовується в тих галузях машинобудування, де нанесенням стійких сплавів необхідно захистити деталі машин від зносу, корозії, ерозії, угару, теплових ударів, кавітації.
При плазмовому напиленні в якості напилюємих матеріалів використовують порошки, проволоки і прутки.