Сущность напыления как способа восстановления деталей

Сущность процесса и способы напыления

Глава 5. Восстановление деталей высокотемпературным напылением

Напыление является одним из способов нанесения металли­ческих покрытий на изношенные поверхности восстанавливаемых деталей. Сущность процесса состоит в напылении предваритель­но расплавленного металла на специально подготовленную по­верхность детали струей сжатого газа (воздуха). Мелкие части­цы распыленного металла достигают поверхности детали в пластическом состоянии, имея большую скорость полета. При ударе о поверхность детали они деформируются и, внедряясь в ее поры и неровности, образуют покрытие. Соединение металли­ческих частичек с поверхностью детали и между собой носит в основном механический характер, и только в отдельных точках имеет место сваривание присадочного металла с подложкой. Основными достоинствами напыления, как способа нанесения покрытий при восстановлении деталей, являются: высокая про­изводительность процесса, небольшой нагрев деталей (120— 180°С), высокая износостойкость покрытия, простота техноло­гического процесса и применяемого оборудования, возможность нанесения покрытий толщиной от 0,1 до 10 мм и более из лю­бых металлов и сплавов. К недостаткам процесса следует отне­сти пониженную механическую прочность покрытия и сравни­тельно невысокую прочность сцепления ^го с подложкой.

В зависимости от вида тепловой энергии, используемой в металлизационных аппаратах для плавления металла, различа­ют четыре основных способа напыления: газопламенное, элект­родуговое, высокочастотное и плазменное.

Газопламенное напыление осуществляется при помощи специальных аппаратов, в которых плавление напыляемого металла производится ацетилено-кислородным пламенем, а его распыление струей сжатого воздуха (рис. III. 5.1). Напыляемый материал в виде проволоки подается через центральное отверстие горелки и, попадая в зону пламени с наиболее высокой температурой, расплавляется. Проволока подается с постоянной скоростью роликами, приводимыми в движение встроенной в аппарат воздушной турбинкой через червячный редуктор.

В качестве напыляемого материала при газопламенном на­пылении применяют также металлические порошки (рис. III. 5.2.), которые поступают в горелку из бункера с помощью транспорти­рующего газа (воздуха).

Наибольшее применение нашли аппараты для газопламенного напыления проволокой типа МГИ-1-57, ГИМ-1 и др.

Преимуществами газопламенного напыления являются: не­большое окисление металла, мелкий его распыл, достаточно высокая прочность покрытия. К недостаткам следует отнести сравнительно невысокую производительность процесса (2—4 кг/ч)

Электродуговое напыление производится аппаратами, в кото­рых плавление металла осуществляется электрической дугой, го­рящей между двумя проволоками, а распыление — струей сжато­го воздуха (рис. III. 5.3).

Для злектродугового напыления отечественная промышлен­ность выпускает аппараты ЭМ-3, ЭМ-9, ЭМ-14 (ручные) и ЭМ-6, МЭС-1, ЭМ-12 (станочные). Привод для подачи проволоки в зону горения электрической дуги в ручных аппаратах осуществляется от воздушной турбинки, в станочных — от электродвигателя. Основным преимуществом электродугового напыления являет­ся высокая производительность процесса (от 3 до 14 кг напыляе­мого металла в час). Высокая температура электрической дуги позволяет наносить покрытия из тугоплавких металлов. При ис­пользовании в качестве электродов проволок из двух различных металлов можно получить покрытие из их сплава. К преимущест­вам электродугового напыления следует отнести сравнительную простоту применяемого оборудования, а также небольшие эксплу­атационные затраты.

Недостатками электродугового напыления являются повышенное окисление ме­талла, значительное выгорание леги­рующих элементов и пониженная плотность покрытия.

Высокочастотное напылениеосно­вано на использовании принципа ин­дукционного нагрева при плавлении исходного материала покрытия (про­волоки). Распыление расплавленного металла производится струей сжато­го воздуха. Головка высокочастот­ного аппарата для напыления (рис. III.5.4) имеет индуктор, пита­емый от генератора тока высокой частоты, и концентратор тока, кото­рый обеспечивает плавление проволоки на небольшом участке дли­ны проволоки.

Нагрев проволоки до температуры плавления в короткое время может быть обеспечен только при опреде­ленной частоте тока, которая опре­деляется по формуле

При высокочастотном напылении автомобильных деталей при­меняют стальную проволоку, для которой коэффициент к—20000. Следовательно, при применении проволоки диаметром 4—5 мм. частота тока будет 80—425 кГц. Учитывая большую частоту то­ка при высокочастотном напылении, применяют ламповые генера­торы токов высокой частоты типа ЛГПЗ-30, ГЗ-46, ЛГПЗ-60 и др.

Преимуществами высокочастотного напыления являются небольшое окисление металла благодаря возможности регулирования температуры его нагрева и достаточно высокая механическая прочность покрытия. К числу недостатков следует отнести срав­нительно невысокую производительность процесса, а также сложность и высокую стоимость применяе­мого оборудования. Плазменное напыление это новый способ нанесения металлических покрытий, при котором для расплавления и переноса металла, на поверхность дета­ли используются тепловые и динамические свойства
плазменной струи (рис. III. 5.5). В качестве плазмообразующего газа применяют азот. Азотная плазма имеет сравнительно невы­сокую температуру (до 10—15 тыс.°С), но обладает высокой энтальпией (теп­лосодержанием). Повышен­ная энтальпия (рис. III. 5.6) азотной плазмы объясняется тем, что про­цесс ее образования имеет две стадии: диссоциацию. (N2→2N) № ионизацию (N→N+ + e). Обе стадии процесса получения плазмы протекают с поглощением тепловой энергии. Процесс получения аргонной плазмы имеет только одну стадию — ионизацию. Таким образом, азотная плазма становится носителем большего количества тепловой энергии, чем аргонная. Высокая энтальпия азотной плазменной струи и низкая стоимость азота и обусловили его широкое применение в качестве плазмообразующего газа при плазменном напылении.

Азотная плазменная струя надежно защищает напыляемый металл от окисления. Несмотря на то, что вследствие турбулент­ного характера истечения плазменная струя смешивается с воздухом, содержание кислорода в ней достигает концентрации его в атмосфере только на расстоянии 120—150 мм от сопла плазмотрона (рис. III. 5.7), т. е. на расстоянии дистанции напы­ления.

Исходный материал покрытия вводится в сопло плазмотрона в виде проволоки или гранулированного порошка. Проволока в качестве напыляемого материала используется реже, так как при ее применении структура покрытия получается крупнозернистой и, кроме того, не все материалы для напыления могут быть приго­товлены в виде проволоки. Поэтому при плазменном напылении в качестве присадочного материала применяют гранулированные порошки с размером частиц от 50 до 150 мкм.

Порошок в сопло плазмотрона подается из дозатора при помо­щи транспортирующего газа (азота). Дозатор определяет расход порошка и, следовательно, производительность процесса напыле­ния. Расход порошка можно плавно регулировать в пределах от 3 до 12 кг/ч.

Попадая в плазменную струю, металлический порошок рас­плавляется и, увлекаемый плазменной струей, наносится на по­верхность детали, образуя покрытие.

Свойства покрытия зависят от температуры нагрева частиц и скорости их полета при встрече с поверхностью детали. Скорость полета металлических частиц определяется в основном двумя фак­торами — силой тока дуги и расходом плазмообразующего газа. В зависимости от значений этих факторов она может достигать 150—200 м/с (рис. III. 5.8). Наибольшей скорости расплавленные частицы металла достигают на расстоянии 50—80 мм от сопла плазмотрона.

Большая скорость полета частиц порошка и высокая темпера­тура их нагрева в момент встречи с подложкой обеспечивают бо­лее высокие, чем при других способах напыления, механические свойства покрытия и более прочное его соединение с поверхно­стью детали.

Экономическая эффективность и производительность процесса напыления зависят от того, какая часть исходного материала по­падает на деталь и закрепляется на ее поверхности, т. е. от ко­эффициента напыления.

Величина коэффициента напыления при плазменном напыле­нии выше, чем при других способах напыления, и зависит от ма­териала порошка, от диаметра напыляемой детали и от основных параметров режима. Так, при напылении порошка ПГ-У30Х28Н4С4 (сормайт-1) на деталь диаметром 26 мм в условиях оптимально­го режима коэффициент напыления не превышает 65—70%. При напылении хромоникелевого порошка на деталь диаметром более 50 мм коэффициент напыления достигает 90—95%.

Из других достоинств процесса плазменного напыления сле­дует отметить его высокую производительность, возможность на­несения покрытий из любых материалов, полную автоматизацию управления процессом.

Все эти достоинства процес­са плазменного напыления позволяют сделать вывод о воз­можности его широкого приме­нения при восстановлении авто­мобильных, деталей.

При плазменном напылении применяются специальные уста­новки, включающие в себя: плазменную горелку (плазмо­трон), пульт управления, порош­ковый питатель (дозатор) и ис­точник питания.

Промышленность выпускает два типа установок для плаз­менного напыления: универсаль­ные плазменные установки типа УПУ-3 производства Ржевского механического завода и универ­сальные плазменно-металлизационные установки УМП-4, УМП-5, выпускаемые Барнауль­ским аппаратно-механическим заводом. Установки УМП-4 и УМП-5 конструкции ВНИИДЕ-ТОГЕНМАШ выпускаются без источника питания. В качестве источника питания для этих ус­тановок можно использовать вы­прямитель ИПН-160/600 или два

последовательно соединенных сварочных машинных преобразователя ПСО-500.

В указанных установках применены плазменные горелки ГН-5Р (рис. III. 5.9).

Напыляемые материалы

В качестве напыляемых материалов при восстановлении авто­мобильных деталей применяют проволоку или порошковые сплавы.

При газопламенном, электродуговом и высокочастотном напы­лении обычно используется проволока. При восстановлении сталь­ных и чугунных деталей применяют стальную проволоку с содер­жанием углерода 0,3—0,8%- Среднеуглеродистую проволоку ис­пользуют при восстановлении посадочных поверхностей на сталь­ных и чугунных деталях. Для деталей, работающих в условиях трения, рекомендуется применять стальную проволоку с повышен­ным содержанием углерода. При плазменном напылении приме­няют порошковые сплавы.

Для восстановления деталей, работающих в условиях трения рекомендуется применять износостойкие порошковые сплавы на основе никеля или более дешевые сплавы на основе железа с высоким содержанием углерода. Эти сплавы обладают высокими технологическими и эксплуатационными свойствами. Наличие в их структуре твердых составляющих (карбидов и боридов) \ сравнительно мягкой основы (твердого раствора) позволяет полу­чать покрытия с высокими служебными свойствами.

Порошковые сплавы на основе никеля марок ПГ-ХН80СР2, ПГ-ХН80СРЗ и ПГ-ХН80СР4 обладают рядом ценных свойств: низкой температурой плавления (950—1050°С), твердостью HRC 35—60 в зависимости от содержания бора, жидкотекучестью, вы­сокой износостойкостью и свойством самофлюсования благодаря наличию в составе бора (Р) и кремния (С), которые активно от­нимают кислород от окислов.

Основной их недостаток — высокая стоимость, которая сни­жает эффективность применения этих сплавов при восстановле­нии деталей.

Сплавы на основе железа с высоким содержанием углерода типа ПГ-У30Х28Н4С4, ФБХ-6-2, КБХ имеют высокую твердость HRC 56—63, высокую износостойкость, недефицитны, но более тугоплавки (температура плавления 1250—1300°С) и не обладают свойством самофлюсования.

На практике получили применение композиционные смеси этих порошков с порошками сплавов на основе никеля. Порошко­вая смесь, состоящая из 50% ПГ-ХН80СРЗ и 50% ПГ-У30Х28Н4С4, имеет высокую износостойкость, невысокую температуру плавления (1100—1150°С), обладает свойством са­мофлюсования и стоит в 2 раза дешевле порошковых сплавов на основе никеля.

Порошковые сплавы на основе никеля и железа, а также их смеси обеспечивают высокую износостойкость напыленных дета­лей, но одновременно несколько повышают (на 15—20%) износ сопряженных деталей, изготовленных из мягких антифрикцион­ных сплавов. Этот недостаток может быть устранен при примене­нии порошковой смеси, состоящей из 80—85% стального порош­ка ПЖ-5М и 15—20% порошка ПГ-ХН80СР4, которая при плаз­менном напылении обеспечивает достаточно высокую износостой­кость покрытия и в то же время не повышает износа сопряжен­ных деталей из мягких антифрикционных сплавов.

При восстановлении посадочных поверхностей под подшипни­ки качения в чугунных корпусных деталях следует применять стальной порошок ПЖ-5М с добавкой 1—2% порошка алюми­ния АКП. Эта же порошковая смесь с добавкой 4—5% медного порошка ПМС-2 или 2—3% никелевого порошка может быть применена при восстановлении плазменным напылением опор под вкладыши коренных подшипников в чугунных блоках цилиндров двигателей.

Источник

Сущность напыления как способа восстановления деталей

Восстановление деталей напылением

Напыление является одним из способов нанесения металлических покрытий на изношенные поверхности восстанавливаемых деталей.

Сущность процесса состоит в напылении предварительно расплавленного металла на специально подготовленную поверхность детали струей сжатого газа (воздуха).

Мелкие частицы распыленного металла достигают поверхности детали в пластическом состоянии, имея большую скорость полета.

При ударе о поверхность детали они деформируются и, внедряясь в ее поры и неровности, образуют покрытие.

Соединение металлических частичек с поверхностью детали и между собой носит в основном механический характер и только в отдельных точках имеет место их сваривание.

Основными достоинствами напыления как способа нанесения покрытий при восстановлении деталей являются:

высокая производительность процесса,

небольшой нагрев деталей (120. 180°С),

высокая износостойкость покрытий,

простота технологического процесса и применяемого оборудования,

возможность нанесения покрытий толщиной 0,1. 10 мм и более из любых металлов и сплавов.

К недостаткам процесса следует отнести пониженную механическую прочность покрытия и сравнительно невысокую прочность сцепления его с поверхностью детали.

В зависимости от вида тепловой энергии, используемой в аппаратах для напыления, различают следующие способы напыления:

газопламенное,

электродуговое,

высокочастотное,

детонационное,

ионно-плазменное,

плазменное.

Газопламенное напыление осуществляется при помощи специальных аппаратов, в которых плавление напыляемого металла производится ацетилено-кислородным пламенем, а его распыление — струей сжатого воздуха.

Напыляемый материал в виде проволоки подается через центральное отверстие горелки и, попадая в зону пламени с наиболее высокой температурой, расплавляется.

Проволока подается с постоянной скоростью роликами, приводимыми в движение встроенной в аппарат воздушной турбинкой через червячный редуктор.

В качестве напыляемого материала при газопламенном напылении применяют также металлические порошки, которые поступают в горелку из бункера с помощью транспортирующего газа (воздуха).

Преимуществами газопламенного напыления являются:

небольшое окисление металла,

мелкий его распыл,

достаточно высокая прочность покрытия.

К недостаткам следует отнести сравнительно невысокую производительность процесса (2. 4 кг/ч).

Электродуговое напыление производится аппаратами, в которых расплавление металла осуществляется электрической дугой, горящей между двумя проволоками, а распыление — струей сжатого воздуха.

Привод для подачи проволоки в зону горения электрической дуги в ручных аппаратах осуществляется от воздушной турбинки, в станочных — от электродвигателя.

Основным преимуществом электродугового напыления является:

высокая производительность процесса (3. 14 кг напыляемого металла в час).

высокая температура электрической дуги позволяет наносить покрытия из тугоплавких металлов.

при использовании в качестве электродов проволок из двух различных металлов можно получить покрытие из их сплава.

сравнительную простота применяемого оборудования, а также небольшие эксплуатационные затраты.

Недостатками электродугового напыления являются:

повышенное окисление металла,

значительное выгорание легирующих элементов

пониженная плотность покрытия.

Высокочастотное напыление основано на использовании принципа индукционного нагрева при плавлении исходного материала покрытия (проволоки).

Распыление расплавленного металла производится струей сжатого воздуха.

Головка высокочастотного аппарата для напыления имеет индуктор, питаемый от генератора тока высокой частоты, и концентратор тока, который обеспечивает плавление проволоки на небольшом участке ее длины.

Преимуществами высокочастотного напыления являются небольшое окисление металла благодаря возможности регулирования температуры его нагрева и достаточно высокая механическая прочность покрытия.

К числу недостатков следует отнести сравнительно невысокую производительность процесса, а также сложность и высокую стоимость применяемого оборудования.

Детонационное напыление.

При этом способе напыления расплавление металла, его распыление и перенос на поверхность детали достигаются за счет энергии взрыва смеси газов ацетилена и кислорода.

При напылении металла в камеру охлаждаемого водой ствола аппарата для напыления подаются в определенном соотношении ацетилен и кислород.

Затем в камеру вводится с помощью струи азота напыляемый порошок с грануляцией в 50. 100 мкм.

Газовую смесь поджигают электрической искрой.

Взрывная волна сообщает частичкам порошка высокую скорость полета, которая на расстоянии 75 мм от среза ствола достигает 800 м/с.

При ударе о деталь кинетическая энергия порошка переходит в тепловую.

При этом частички порошка разогреваются до 4000 °С.

После нанесения каждой дозы порошка ствол аппарата продувается азотом для удаления продуктов сгорания.

Этот процесс повторяется автоматически с частотой 3—4 раза в секунду.

За один цикл на поверхность детали наносится слой металла толщиной до 6 мкм.

Преимуществами этого способа напыления являются:

большая производительность процесса при диаметре ствола 20. 25 мм (за 15 с можно нанести покрытие толщиной до 0,3 мм на площади до 5 см2);

высокая прочность сцепления покрытия с поверхностью детали;

температура на поверхности детали не более 200 °С.

К недостаткам процесса следует отнести:

высокий уровень шума (до 140 дБ), требующий выполнения операции в специальной звукопоглощающей камере.

Ионно-плазменное напыление.

При этом способе напыления детали, на которые наносится покрытие, помещают в вакуумную камеру.

В этой камере напыляемый металл за счет тепла электрической дуги переводится в плазменное состояние.

Положительно заряженные ионы металлической плазмы перемещаются на поверхность деталей, которые являются катодом.

В вакуумную камеру вводится реактивный газ (азот), за счет взаимодействия которого с частицами металлической плазмы происходит улучшение свойств покрытия.

Установка состоит из вакуумной камеры 4, на столе 2 которой смонтированы:

катод 3, изготовленный из напыляемого материала;

кольцеобразный анод 9, расположенный концентрично катоду;

соленоид 5 для ускорения движения потока плазмы к напыляемой детали 8;

электрод 10 поджига электрической дуги с электромагнитным вибратором 12.

На крышке 6 вакуумной камеры установлена кассета 7, в которой крепятся детали.

Питание установки производится от двух источников тока 13 и 14 напряжением в 1000 В.

При напылении деталей их устанавливают в вакуумную камеру и создают в ней рабочий вакуум через патрубок 1, который соединен с вакуумным насосом.

Подводят к катоду и аноду напряжение от источников питания.

Электродом поджига возбуждают электрическую дугу.

Под действием дугового разряда материал катода переходит в плазменное состояние.

Металлическая плазма под действием магнитного поля соленоида ускоряется в ее движении к деталям, на которые подан отрицательный потенциал.

При полете к деталям ионы металлической плазмы взаимодействуют с реактивным газом (азотом), который подводится через патрубок 11.

Ионно-плазменная установка применяется для упрочнения режущего инструмента путем нанесения покрытия из нитрида титана и для повышения прирабатываемости и износостойкости поршневых колец за счет нанесения покрытия из нитрида молибдена.

Эта установка может быть применена также при восстановлении деталей с небольшим износом в пределах 10. 15 мкм.

Плазменное напыление — это такой способ нанесения металлических покрытий, при котором для расплавления и переноса металла на поверхность детали используются тепловые и динамические свойства плазменной дуги.

В качестве плазмообразующего газа применяют азот.

Азотная плазма имеет сравнительно невысокую температуру (до 10. 15 тыс.°С), но обладает высокой энтальпией (теплосодержанием).

Это объясняется тем, что процесс образования азотной плазмы имеет две стадии: диссоциацию и ионизацию.

Обе стадии процесса получения плазмы протекают с поглощением тепловой энергии.

Процесс получения аргонной плазмы имеет только одну стадию — ионизацию.

Таким образом, азотная плазма становится носителем большего количества тепловой энергии, чем аргонная.

Высокая энтальпия азотной плазменной струи и низкая стоимость азота и обусловили его широкое применение в качестве плазмообразующего газа при плазменном напылении.

Исходный материал покрытия вводится в сопло плазмотрона в виде проволоки или гранулированного порошка.

Проволока в качестве напыляемого материала используется реже, так как при ее применении структура покрытия получается крупнозернистой и, кроме того, не все материалы для напыления могут быть приготовлены в виде проволоки.

Поэтому при плазменном напылении в качестве присадочного материала применяют гранулированные порошки с размером частиц 50. 150 мкм.

Порошок в сопло плазмотрона подается из дозатора при помощи транспортирующего газа (азота).

Дозатор определяет расход порошка и, следовательно, производительность процесса напыления.

Расход порошка можно плавно регулировать в пределах 3. 12 кг/ч.

Попадая в плазменную струю, металлический порошок расплавляется и, увлекаемый струей, наносится на поверхность детали, образуя покрытие.

Свойства покрытия зависят от температуры нагрева частиц и скорости их полета при встрече с поверхностью детали.

Скорость полета металлических частиц определяется в основном двумя факторами — силой тока дуги и расходом плазмообразующего газа.

В зависимости от значения этих факторов она может достигать 150. 200 м/с.

Наибольшей скорости расплавленные частицы металла достигают на расстоянии 50. 80 мм от сопла плазмотрона.

Большая скорость полета частиц порошка и высокая температура их нагрева в момент встречи с подложкой обеспечивают более высокие, чем при других способах напыления, механические свойства покрытия и более прочное его соединение с поверхностью детали.

Режим плазменного напыления зависит от напыляемого материала и рекомендуется следующий:

сила тока 350. 400 А;

напряжение тока 60. 70 В;

расход плазмообразующего газа 30. 35 л/мин;

Источник