Shilina SOSUN_kr / Vejpte_2012_3(5)__2

Восточно-Европейский журнал передовых технологий

3/5 ( 57 ) 2012

можливості застосування технологій газотермічного

Надзвукова електродугова металізація забезпечує

напилення в

умовах

ремонтного виробництва

високу стабільність горіння дуги за рахунок орієнтації

залізниці.

уздовж газового потоку. При цьому відбувається більш

Метою даної роботи є проведення порівняльного

інтенсивний процес передачі теплоти в плавкі елек-

аналізу основних методів газотермічного напилення

троди, прискорений розгін і дроблення частинок роз-

за деякими показниками для умов залізничного тран-

плавленого металу, їх захист від окислення у польоті,

спорту.

і зниження кількості випареного матеріалу, що до-

Проблема розв’язання поставленої задачі полягає у

зволило суттєво поліпшити властивості напиленого

тому, що існуюча в літературних джерелах інформація

покриття [5].

щодо показників ГТН відрізняється. Даний факт мож-

У роботі [2] описана структура покриттів із сталі, от-

на пов’язувати з різними умовами проведення експери-

риманих в камері методом електродугової металізації

ментів та різноманіттям використовуваних матеріалів.

із застосуванням у якості робочих газів аргону, азоту

Тому в даній роботі наведені результати досліджень, як

і повітря. Показано, що у структурі покриттів із сталі,

інших авторів, так і власні.

нанесених в камері з аргоном, майже немає оксидів. Ви-

щий вміст оксидів спостерігається в покритті, напиле-

ному в камері з використанням азоту в якості робочого

Виклад основного матеріалу

газу та повітря, а найбільша кількість оксидів виявлена

Згідно прийнятої класифікації газотермічне на-

в покритті, нанесеному за допомогою азоту поза каме-

ри. Покриття, нанесене поза камери з використанням

пилення поділяють на основні чотири способи: елек-

стислого повітря, має явно відмінну від інших структу-

тродугову металізацію, газополум’яний, плазмовий

ру, в якій помітна велика кількість оксидів, а між частин-

та детонаційний. Інші способи є різновидами вказа-

ками видно чіткі межі, які відсутні при напиленні за до-

них, наприклад, застосування надзвукової швидкості

помогою нейтральних газів. Аналогічні закономірності

транспортуючих газів, напилення в вакуумі, викори-

виявляють також і в збільшенні кількості пор і вмісту в

стання ультразвуку, тощо. Спільною рисою способів

покритті кисню.

ГТН є чутливість до складу середовища, в якому

У покриттях, напилених за допомогою азоту, вияв-

формується покриття [1-4]. При порівняльному

лений вищий вміст кисню, ніж в тих, що напилені за до-

аналізі також враховується можливість використан-

помогою аргону, що, на думку авторів [2], пов’язано з чи-

ня аморфізучихся матеріалів, як перспективних для

стотою використовуваних газів (застосовувалися гази

відновлення деталей. В даний час важко однозначно

технічної чистоти, а не хімічно чисті). Заміна повітря

віддати перевагу якому-небудь з методів, тим більше,

аргоном при дуговій металізації сприяє поліпшенню

що результат багато в чому залежить від параметрів

властивостей покриттів і підвищенню міцності зче-

напилення.

плення.

На даний момент на ремонтних виробництвах

Серед великої кількості чинників, що визнача-

залізниці серед газотермічних способів найбільш

ють структуру та властивості напилених покриттів

поширеним є електродугова металізація. Розгляне-

можна виділити декілька головних. При способі

мо її. У роботі [5] описана апаратура і технологія

електродугової металізації електричні параметри

електродугової металізації, при якій розпилювання

дуги залежать головним чином від характеристик

дротів здійснюється під впливом надзвукового потоку

матеріалу, що розпилюється. Збільшення потужності

гарячих продуктів згорання природного газу (7-15 %) з

апарату збільшує температуру частинок з одночас-

повітрям. Проведено порівняння властивостей (табл. 1)

ним зростанням середніх розмірів частинок і, отже,

покриттів (склад дроту не приведений), напилених

зменшує поверхню їх охолоджування [6, 7]. Надмірне

на оптимальних режимах (за ствердженням автора

збільшення потужності викликає перегрів металу і

[5]) різними способами: надзвукової електродугової

приводить до його випаровування і значного окислен-

металізації, плазмово-дугового напилення; типової

ня. Одним з основних чинників, що визначають струк-

електродугової металізації.

туру і властивості покриття, є температура частинок

електродного металу, що розпилюється, яка

Таблиця 1

обумовлюється, як правило, енергетичними

Залежність властивостей покриттів від методу напилення [5]

параметрами дуги. Температура ж сталевих

частинок при електродуговій металізації за-

Спосіб

Пори-

Мікротвердість

Міцність

лежить від розмірів, хоча вона не перевищує

Твердість,

фази, МПа

температури плавлення заліза.

нанесення

стість,

зчеплення,

HRC

Основними способами газотермічного на-

покриття

%

світла

темна

МПа

пилення порошків є газополум’яний, плаз-

мовий та детонаційний, а також їх варіації:

Типова

електродугова

10…12

22…25

900

11000

35

надзвуковий газополум’яний («Джет-коут»),

металізація

надзвуковий плазмовий і плазмове напилен-

Надзвукова

ня в динамічному вакуумі.

Важливою складовою технологічного

електродугова

2…3

35…37

1200

16000

65

процесу напилення покриттів є створення

металізація

умов для обмеження протікання фізико-

Плазмово-

хімічної взаємодії. Для цього необхідно

дугова

6…8

28…30

1000

13000

50

зменшувати температури джерела тепла до

металізація

динамічному вакуумі із застосуванням суміші аргон-

вило відмінність їх фізико-механічних і корозійних

водень з низьким вмістом водню (VPS h2); плазмове

властивостей.

напилення в динамічному вакуумі із застосуванням

Різновидом плазмового напилення є плазмово-ду-

суміші аргон+водень (VPS Н2); плазмове напилення

гове. Даний метод дозволяє отримувати якісні, щільні

на повітрі із застосуванням суміші аргон-гелій (Арs

покриття. В ІЕЗ ім. Є.О. Патона розроблена установка

Не); плазмове напилення на повітрі із застосуванням

УН-126, в якій плазмовий струмінь захищається стис-

суміші аргон-водень (Арs Н2). Показано, що змінюючи

неним повітряним потоком, який паралельно оточує

співвідношення цих компонентів, значення електричної

плазму, обмежуючи її взаємодію з атмосферним по-

потужності, що подається на плазмотрон, і витра-

вітрям. Плазма продуктів горіння дозволяє змінюва-

ту плазмоутворюючого газу, можна ефективно керу-

ти довжину відновлювальної ділянки шляхом зміни

вати плазмовим струменем, змінюючи її швидкість,

співвідношенням компонентів плазмоутворюючого

протяжність, тепловміст і склад середовища.

газу. Плазмово-дугове напилення вигідно відрізняєть-

Розглянемо плазмове напилення порошків групи

ся від звичайного плазмового системою охолодження

заліза. Напилення проводили дозвукове та надзвуко-

пальника, тобто вода для охолодження не використо-

Таблиця 2

вується, а у якості

охолоджувального

Умови напилення і властивості плазмових надзвукових покриттів [11]

середовища

засто-

совують

стиснене

Швидкість руху,

Властивості покриття

повітря. Також да-

м/с

ний

вид плазмо-

Напилений

Робо-

Твердість

Міцність

вого

напилення

матеріал

чий газ

стру-

частки

Густина,

Шорсткість,

забезпечує

більш

меню

г/см3

мкм

зчеплен-

стабільний

процес

HRC

HV300

ня, МПа

при напиленні су-

цільними дротами,

Кобальто-

Ar

2900

400…500

7,8

36

350…450

6,0…7,0

54,0…58,6

є більш

простим

вый сплав

та дешевим у по-

WC-12Co

Ar

2900

400…500

13,8

60

850…950

4,0…5,0

69

рівнянні

зі

звичай-

WC-17Co

Ar

2900

330…400

11,8

55

750…950

6,0…8,0

69

ними установками

плазмового

напи-

WC-17Co

Ar

3000

550…650

12,2

55

750…950

2,5…3,0

69

лення. Позитивним

Cr3C2-NiCr

Ar+He

2900

400…500

6,4

51

500…550

4,4…5,7

62,0…69,0

також є винесення

дуги за межі паль-

ве, матеріал для напилення Fe60

Ni5 Cr18 Mo5,5 B4,5

Si6,5 .

ника плазмотрону (рис. 1). Розроблена конструкція до-

Дозвукове плазмове покриття має більш грубу струк-

зволяє збільшити робочий цикл електроду до заміни.

туру, пористість та невисокі значення міцності зче-

Недоліком даної конструкції є складність варіювання

плення з основою – до 30 МПа (при використанні

напилюваними матеріалами, тобто при необхіднос-

плазмоутворюючого газу - аргоно-водневої суміші) та

ті отримання шаруватого або градієнтного покриття

32...33 МПа (при використанні суміші повітря з пропан-

необхідно витрачати час на заміну дротів. Також дана

бутаном) [12].

система чутлива до якості порошкових дротів.

Надзвукове плазмове

на-

Таблиця 3

пилення характеризується ви-

сокою дисперсністю структури

Характеристика газотермічних покриттів з порошків сплаву

покриття. Надзвукове плаз-

Fe60 Ni5 Cr18 Mo5,5 B4,5 Si6,5 [12]

мове покриття відрізняється

найбільш

високим

вмістом

Метод напи-

Мікротвердість,

Ступінь

Міцність

аморфної фази і мінімальним

лення

Фазовий склад

МПа

аморфизації,

зчеплення,

вмістом пор і оксидних вклю-

%

МПа

чень, розташованих по межах

2700-5500

частинок. Гарне прилягання до

Плазмовий

основи і висока щільність обу-

a-Fe+АФ+Fe2B

(a-Fe)

65

18-28

(аргон+водень)

5500-12500

мовлюють високу міцність зче-

(АФ)

плення (62...67 МПа) надзву-

кового плазмового покриття з

основою (табл. 3) [12]. Таким

Плазмовий

4200-7100

чином, при різних методах на-

(a-Fe)

(воздух+пропан-

a-Fe+АФ+Fe2B

70

32-33

пилення у міру зміни швидкості

7500-9900

бутан)

(АФ)

і температури

частинок

спостерігалися відмінності в

ступені аморфізації, хімічному

3000-6600

складі, зокрема вмісті кисню,

Надзвуковий

(a-Fe)

пористості

та мікроструктурі

плазмовий

a-Fe+АФ+Fe2B+g-Fe

75

62-67

7800-8200

покриттів в цілому, що зумо-

(воздух+метан)

(АФ)

Восточно-Европейский журнал передовых технологий

3/5 ( 57 ) 2012

Важливість знаходження раціональних режимів про-

цесу можна навести на такому прикладі. Відомо, що

при нанесенні покриття детонацією відбувається викид

із стовпа продуктів згорання горючого газу та залишків

порошку, що не потрапив у до складу основної плями.

Дані вторинні елементи пострілу осідають на напилену

пляму покриття, що погіршує когезій ні властивості.

Для вирішення даної проблеми необхідно підбирати

Рис. 1. Плазмотрон плазмово-дугової установки УН-126:

раціональні режими процесу, наприклад, при яких го-

рюча суміш буде повністю згоряти, а порція порошку не

1 – корпус; 2 – гайка; 3 – електрод; 4 – сопло; 5 – три-

перевищуватиме необхідної для одного циклу.

мач; 6 – наконечник; 7 - дріт

Узагальнюючи результати досліджень, наведе-

них в літературних джерелах, можна представити

Детонаційне напилення володіє найширшими

порівняльний аналіз основних методів газотермічного

можливостями для отримання самих різноманітних

напилення (табл. 4).

покриттів. Даний метод відрізняється високим зна-

Із збільшенням швидкості руху частинок зростають

ченням міцності зчеплення, низькою пористістю,

міцність зчеплення, мікротвердість, міцність на розрив,

можливістю одержувати широкоспектральні, у тому

зменшується пористість. Відмінність між параметрами

числі, шаруваті покриття без втрат часу на переза-

характеристик деяких покриттів сягає 2...3 разів.

пралення матеріалу. Найважливішою перевагою

Наведені результати, відповідно, визначають

детонаційного напилення є високі адгезійні та когезійні

матеріали, що напилюються кожним окремим мето-

властивості. Також покриття при даному способі напи-

дом, і накладають обмеження на максимальний розмір

лення має малу пористість. Крім того, при напиленні

частинок, здатних формувати покриття з високими

можна відносно легко регулювати температуру та

показниками міцності зчеплення і когезійної міцності.

швидкість напилюваних частинок; а термічний вплив

При виборі того або іншого способу напилен-

на поверхню деталі мінімальний. Також детонаційний

ня та режиму необхідно враховувати техніко-

метод дозволяє отримувати аморфні та аморфно-

економічні показники процесу. Економічність проце-

кристалічні покриття більш легко у порівнянні з

су оцінюють коефіцієнтом використання матеріалу

іншими методами, що є досить цікавим для викори-

(КВМ), ефективністю використання енергії, а також

стання при відновленні зношених деталей рухомого

продуктивністю [6].

складу. Недоліки детонаційного методу відомі: високий

Як вже частково зазначалось вище, на процес на-

рівень шуму (до 140 дБ), що потребує звукоізоляції;

пилення покриттів впливає безліч факторів, кількість

дороге та складне обладнання; наявність кисню в

яких, за літературними даними коливається від 20 до

газовій суміші приводить до протікання окислюваль-

60. Тому при виборі параметрів технологічного про-

них процесів. В процесі детонаційного напилення по-

цесу бажано виділити найбільш впливові фактори.

криття формуються за рахунок продуктів детонації. На

Вибір вхідних параметрів варіювання залежить від

нагрів і прискорення порошкових частинок найбільше

вимог до покриття і методу напилення. Наприклад,

впливає ступінь їх взаємодії з продуктами детонації

це можуть бути потужність електричної дуги, тиск

[7]. Продукти детонації разом з частинками порошку

і витрата стислого повітря, зазор між електродами,

формують двофазний потік, який утворює одинич-

діаметр дротів для електродугового напилення; склад

ну пляму покриття. При цьому частинки усередині

детонаційної суміші, частота імпульсів, дистанція на-

одиничної плями майже однакові по структурі. При

пилення, витрата і склад плазмоутворюючого газу,

ударі частинок об поверхню напилюваної деталі вони

швидкість переміщення плазмотрона та ін.

додатково активуються. Всередині плями, утвореної

У якості вихідних контрольованих параметрів

за один постріл, відсутні пори та несплошності, ча-

(функції відгуку) обирають ті параметри, які найбільш

стинки після деформації (ступінь деформації складає

важливі для виробництва. Як правило, обов’язково

10…50) мають форму ламелей [7, 9]. В результаті дії

контролюють міцність зчеплення покриття з осно-

високої швидкості частинок й їх температури, тобто

вою, а також важливими є зносостійкість, твердість,

високих значень теплової та кінетичної енергії, а та-

пористість, корозійна стійкість та інші характеристики

кож додаткової активації частинок при ударі, міцність

залежно від функціонального призначення покрит-

зчеплення частинок між собою висока і теоретично

тя. Для визначення раціональних параметрів проце-

наближається до міцності напилюваного матеріалу

су можна скористатись коефіцієнтом використання

(однорідного). Хоча необхідно зауважити, що вплив

матеріалу. Одним з показників раціонального режи-

температури на властивості детонаційного покриття

му може виступати КВМ, оскільки він характеризує

не є однозначним. Підвищення температури частинок

найбільш раціональний рівень теплової і кінетичної

підвищує температуру контактної зони, що позитив-

енергії частинок.

но впливає на адгезію та когезію. Одночасно з цим

В результаті застосування методів кореляційного

знижується тиск в зоні контакту часток з основою,

аналізу багаточинника проводиться ранжирування

що погіршує міцність зчеплення. Тому вважається,

вибраних параметрів по їх значущості, і на цій основі

що оптимальним агрегатним станом частинок перед

здійснюється оптимізація процесу ГТН без проведен-

зіткненням є напіврозплавлений стан при відповідній

ня великого об’єму експериментальних досліджень.

швидкості частинок. Підкреслимо, що для різних

Аналіз існуючого об’єму експериментальних да-

матеріаліві робочихсередовищіснуютьсвоїраціональні

них дозволяє встановити ступінь впливу окремих

співвідношення температур і швидкостей частинок.

параметрів на структуру і властивості покриттів.

Таблиця 4

Основні характеристики процесів газотермічного напилення

Темпе-

Склад

Розхід

Швидкість

Швидкість

Максимальна

Темпе-

Міцність

ратура

плазми або

витоку

ратура

Метод напилення

газу,

часток,

продуктивність

зчеплен-

струї,

продуктів

струї,

часток,

м3/год

м/с

кг/год

ня МПа

0С

згоряння

м/с

0С

Електродуговий [13]

5500

N2, O2

В 60-150

120-240

20-45

2000-

до 50

2600

Газополум’яний по-

N2, CO,

С2Н2-1,7

1800-

рошковий дозвуковий

2500

300-500

50-150

3-5

до 50

2000

[14]

CO2, H2O

О2-2,2

Газополум’яний дрото-

N2, Co,

2800

7-10

300-500

180

вий дозвуковий [15]

CO2, H2O

Газополум’яний над-

N2, Co,

3100

16-45

1500

до 800

2,2

1500

звуковий [9]

CO2, H2O

10000-

25-

Плазмово-дуговий [13]

2,4

100

120-400

10-16

2500

15000

60

Плазмово-вакуумний

8300

Ar, He

8,4

-

420-480

10

[15]

240-610

Надзвукове повітряно-

3250-

CO, CO2,

газове плазмове на-

10-40

до 3000

до 600

20-50

-

60-120

6250

N2, H2O

пилення [9]

С3Н8-

Детонаційний [16]

3200

CO, CO2,

1¸1,5

1200-1500

до 1000

2-5

2300

до 200

H2O

О2-

2,0¸4,0

Восточно-Европейский журнал передовых технологий

3/5 ( 57 ) 2012

1. Введение

емых результатов. Основная идея всех резонансных

методов состоит в наблюдении резонансных кривых

Для измерения электрофизических параметров

колебательного контура, в который помещен образец

веществ наибольшее распространение получили ре-

исследуемого вещества. Изучение резонансных кри-

зонансные методы в силу высокой точности получа-

вых до и после внесения диэлектрика позволяет по