сертификация. лекция+9. Лекция 9 Восстановление деталей напылением
 Скачать 434.82 Kb.
|
|
Лекция 9 Восстановление деталей напылением 9.1 Сущность процесса и способы напыления 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 расплавленного 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. 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 из любых металлов и сплавов. К недостаткам процесса относят пониженную механическую прочность покрытия и сравнительно невысокую прочность сцепления его с поверхностью детали. В зависимости от вида тепловой энергии, используемой в аппаратах дли напыления при расплавлении металла, различают следующие способы напыления газопламенное, электродуговое, детонационное и плазменное. Газопламенное напыление. Ocуществляется при помощи специальных аппаратов, в которых плавление напыляемого металла производится ацетилено-кислородным пламенем, а его распыление струей сжатого воздуха (рисунок 9.1). Проволока подается с постоянной скоростью роликами, приводимыми в движение встроенной в аппарат воздушной турбинкой через червячный редуктор. Наибольшее применение для газопламенного напыления проволокой нашли аппараты МГИ-1-57, ГИМ-1 и др. Преимуществами газоплазменного напыления являются небольшое окисление металла, мелкое его распыление, достаточно высокая прочность покрытия. К недостаткам относят 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 (рисунок 9.2). Для электродугового напыления отечественная промышленность выпускает аппараты ЭМ-3, -9,-14 (ручные) и ЭМ-6, МЭС-1, М (станочные. Привод для подачи проволоки в зону горения электрической дуги в ручных аппаратах осуществляется от воздушной турбинки, а станочных - от электродвигателя. Основными преимуществами электродугового напыления являются высокая производительность процесса (от 3 до 14 кг/ч), сравнительная простота применяемого оборудования и экономичность. К недостаткам относят повышенное окисление металла и большую пористость покрытия. Детонационное напыление. При этом способе напыления расплавление металла, его распыление и перенос на поверхность детали достигаются за счет энергии взрыва смеси ацетилена и кислорода. При напылении металла в камеру охлаждаемого водой ствола аппарата для напыления (рисунок 9.3) подаются в определенном соотношении ацетилен и кислород. Затем в камеру вводится с помощью струи азота напыляемый порошок с размером гранул 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 мс. 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 см, высокая прочность сцепления покрытия с поверхностью детали, невысокая температура на поверхности детали (не более 200 С. К недостаткам процесса относят высокий уровень шума (до 140 дБ, что обусловливает необходимость выполнения работ по нанесению покрытий в специальной звукопоглощающей камере. Плазменное напыление. Для расплавления и переноса металла на поверхность детали здесь используются тепловые и динамические свойства плазменной струи (рисунок 9.4). В качестве плазмообразующего газа применяют азот, который дает температуру 10000... С. Напыляемый материал в виде порошка вводится в сопло плазмотрона 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. Основными преимуществами плазменного напыления являются высокая производительность процесса (до 12 кг/ч), более высокие, чем при других способах напыления, физико-механические свойства покрытия (например, износостойкость в 1,5...2 раза выше, чему закаленной стали 45), возможность нанесения покрытий из любых сплавов толщиной от 0,1 до 10 мм, полная автоматизация процесса напыления. Прочность сцепления покрытия с деталью выше, чем при других способах напыления, но она все жене превышает 400...450 кгс/см2 при испытании на отрыв. 9.2 Напыляемые материалы В качестве напыляемых материалов при восстановлении автомобильных деталей применяют проволоку или порошковые сплавы. При газоплазменном и электродуговом напылении обычно используется проволока. Среднеуглеродистую проволоку применяют 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 и детонационном напылении применяют порошковые сплавы. Для получения износостойких покрытий рекомендуется применять порошковые сплавы на основе никеля или более дешевые славы на основе железа с высоким содержанием углерода. Сплавы на основе никеля обладают высокими технологическими и эксплуатационными свойствами. Наличие в их структуре твердых составляющих (карбидов и боридов) и сравнительно мягкой основы (твердого раствора) позволяет получать покрытия с высокими эксплуатационными свойствами. Порошковые сплавы на основе никеля (таблицы 9.1 и 9.2) обладают рядом ценных свойств низкой температурой плавления (950 ... 1050 С, твердостью HRС э , 35 ... 60 в зависимости от содержания бора, жидкотекучестью, высокой износостойкостью и свойством самофлюсования благодаря наличию в составе бора и кремния, которые активно отнимают кислород от окислов. Основной их недостаток - высокая стоимость, которая снижает эффективность применения этих сплавов при восстановлении деталей. Таблица 9.1 - Порошковые сплавы для напыления на основе Никеля (но ГОСТ 21448- 75) Марка порошка Химический состав, % (по массе) Твердость НRС э Железо Хром Кремний Углерод Бор ПГ-СР2 ПГ-СРЗ ПГ-СР4 < 5.0 < 5.0 < 5.0 12…15 13,5…16,5 15…18 2,0…3,0 2,5…3,5 3,0…4,5 0,2…0,5 0,4…0,7 0,6…1,0 1,5…2,1 2,0…2,8 2,8…3,8 >35 >45 >55 Таблица 9.2 - Порошки самофлюсующихся сплавов на основе никеля производства НПО «Тулачермет» Марка порошка Химический состав, % (но массе) Твердость НRС э Хром Кремний Бор Железо ПР-Н80Х13С2Р ПР-Н77Х15СЗР2 ПР-Н73Х16СЗРЗ ПР-Н70Х17C4P4 ПР-Н67Х18С5Р5 ПР-Н65Х25СЗРЗ ПР-Н68Х21С5Р 12…14 14…16 15…17 16…18 16…19 23…26 20…27 2,0…2,8 2,8…3,5 2,7…3,7 3,8…4,5 4…5 2,1…2,3 4…5 1,2…1,6 1,8…2,3 2,3…3,0 3,1...4,0 4,0…4,7 2…3 1,0…1,3 <5 <5 <5 <5 <5 <5 <5 25…35 35…45 >45 >55 >60 >45 >40 Примечания. 1. Варианты грануляции порошков (мкм 20...63; менее 40; 80...160; 100...280; 40... 100. 2. В состав порошков входит углерод 0,4... 1,5%. Таблица. 9.3 - Порошки на основе никеля, применяемые в качестве подслоя при напылении (но ТУ 14-1-3282-81 ПНО «Тулачермет» Марка порошка Химический состав, % (но массе) Температура плавления, С Твердость НRС э Прочность сцепления, кгс/см 2 Титан Алюминий ПНЮ ПНЮ ПН-55Т45 — — 43…47 28…33 12…15 — 1600 1400 1240 >40 >40 50…60 300…350 400…450 450…500 Сплавы на основе железа с высоким содержанием углерода типа ПГ-С1 (Сормайт-1) имеют высокую твердость (HRC3 56... 63), высокую износостойкость, недефицитны, но более тугоплавки (1250... 1300 Сине обладают свойством самофлюсования. При восстановлении посадочных поверхностей под подшипники в чугунных корпусных деталях применяют стальной порошок ПЖ-5М с добавкой 1 ... 2% порошка алюминия АКП. Для повышения прочности сцепления покрытия с поверхностью детали рекомендуется напылять подслои из порошков, состав и свойства которых приведены в таблице 9.3. Технологический процесс напыления Процесс нанесения покрытий включает подготовку детали к напылению, нанесению покрытий и обработку детали после напыления. Подготовка детали к напылению служит для обеспечения прочного сцепления покрытия с поверхностью детали. Она включает в себя обезжиривание и очистку детали от загрязнений, механическую обработку и создание шероховатости на поверхности детали. При механической обработке с поверхности детали снимают слой металла, чтобы после окончательной обработки напыленной детали на ее поверхности оставалось покрытие толщиной не менее 0,5 ... 0,8 мм. Таблица 9.4 - Режимы газопламенного и электродугового напылении Режим обработки Газопламенное напыление Электродуговое напыление Расстояние напыления, мм Скорость вращения детали, м/мин Продольная подача аппарата, мм/об Диаметр проволоки, мм Сила тока, А Напряжение, В Скорость подачи проволоки, м/мин Производительность напыления, кг/ч Давление сжатого воздуха, кгс/см 2 » ацетилена, кгс/см » кислорода, кгс/см2 100…150 10…15 1,5…2 1,5…3 — — 4,5…6 2…3 3…5 0,1…0,6 3…5 75…1000 15…20 1,5…2 1,5…2,5 120…180 25…30 2…3 6…8 5…6 — — Таблица 9.5- Режимы плазменного напыления цилиндрических поверхностей Режим обработки Наружные поверхности Внутренние поверхности Сила тока, А Напряжение, В Плазмообразующий газ Расход азота, л/мин Расход транспортирующего газа (азота, л/мин Расстояние напыления, мм Диаметр сопла плазмотрона, мм Напыляемый материал Размер гранул порошка, мкм Расход порошка, кг/ч Скорость вращения детали, м/мин Продольная подача плазмотронам мин 300... 350 70... 80 Азот 25... 30 2,5... 3 125... 150 5... 6 ПГ-СРЗ ПГ-СР4 50... 100 6... 8 15...20 0,3...0,5 260... 300 70... 80 Азот 28.... 30 3... 5 150 5... 6 ПЖ-5М 100... 160 6…8 10...15 0,3...0,4 Для получения на поверхности детали необходимой шероховатости ее подвергают дробеструйной обработке или накатывают (зубчатым роликом. Дробеструйную обработку производят в специальных камерах чугунной колотой дробью ДЧК-1,5 при режиме расстояние от сопла дробеструйного аппарата до детали 25 ... 50 мм, давление сжатого воздуха 5... 6 кгс/см2, угол наклона струи к поверхности детали 45°, время обработки 2 ... 5 мин. Накатку для создания шероховатости применяют при восстановлении деталей с твердостью не более ИВ 400. Нанесение покрытия на поверхность детали производится на переоборудованных токарных станках или в специальных камерах. При напылении на токарных станках деталь устанавливают в патроне станка, а металлизационный аппарат на суппорте. При использовании специальных камер они должны иметь соответствующие механизмы для взаимного перемещения детали и металлизатора. Пост напыления оборудуют вытяжной вентиляцией. Качество покрытия и производительность процесса в значительной степени зависят от режима напыления (таблицы 9.4 и 9.5). После нанесения покрытия деталь медленно охлаждают до температуры окружающей среды и обрабатывают покрытие до требуемого размера. Требуемая точность и шероховатость поверхности деталей достигается шлифованием. 9.4 Оборудование, применяемое при напылении При напылении металла на детали применяют специальные аппараты и установки. Для газоплазменного напыления используют аппараты МГИ-1-57 и ГИМ-1 (таблица 9.6). При электродуговом напылении наибольшее применение нашли аппараты ЭМ-9 (ручной) и ЭМ-6, МЭС-1 (станочные, характеристика которых приведена в таблице 9.7. При плазменном напылении применяют специальные установки, которые включают в себя пульт управления плазмотрон, порошковый дозатор и источник питания. Наиболее широкое применение получили два типа установок для плазменного напыления УПУ-ЗД и УМП-5 (таблица 9.8). На посту напыления устанавливаются также специальные стенды-камеры с механизмами вращения детали и перемещения аппарата для напыления. На рисунке 9.5 показан стенд-камера для плазменного напыления цилиндрических деталей. Таблица 9.6 - Аппараты для газопламенного напыления Показатели МГИ-1-57 ГИМ-1 Производительность при напылении стали, кг/ч Диаметр проволоки, мм Масса аппарата, кг Давление сжатого воздуха, кгс/см2 Расход сжатого воздуха, мэ/мин Давление ацетилена, кгс/см Расход ацетилена, л/ч Давление кислорода, кгс/см2 Расход кислорода, л/ч Привод механизма подачи проволоки Максимальная скорость подачи проволоки, м/мин Частота вращения вала воздушной турбины, об/мин 3 1,5…3,0 2 4…5 ,7 0,1…0,6 240…840 2…7 625…2100 Воздушная турбина 6 20000 1…1,5 1…2 2,6 4…5 0,65 0,1…0,6 250…300 2,5…3,0 250…800 Воздушная турбина 4,5 24000 Таблица 9.7 - Аппараты для электродугового напыления Показатели ЭМ-9 ЭМ-6 МЭС-1 Производительность при напылении стали, кг/ч Диаметр проволоки, мм Масса аппарата, кг Максимальный ток, А Напряжение, В Рабочее давление воздуха, кгс/см 2 Расход воздуха, м 3 /мин Привод механизма подачи проволоки Скорость подачи проволоки, м/мин 5 1,2…2 1,9 150 20…30 4…6 1,1 Воздушная турбина 1,5…3,5 12 1,5…2,5 21 300 25…30 4…5 0,8…0,9 Электродвигатель Электродвигатель Таблица 9.8 - Установки для плазменного напыления Показатели УПУ-3Д УМП-5 Производительность по напылению, кг/ч Мощность установки, кВт Плазмообразующий газ Масса установки, кг Объем бачка дозатора, л Максимальный ток, А Рабочее напряжение, В Расход азота, л/мин Рабочее давление азота, кгс/см 2 Давление охлаждающей воды, кгс/см 2 Расход охлаждающей воды, л/мин Источник питания 3…12 35…40 Азот 900 5 600 70…90 30…40 3…4 3…4 3…4 ИПН1 60/600 5…8 30 Азот 120 5 400 85…95 25…35 3…4 3,4…3,5 3…3,5 ИПН1 60/600 9.5 Плазменное напыление с последующим оплавлением покрытия Свойства напыленных покрытий могут быть значительно улучшены путем введения в технологический процесс восстановления деталей сравнительно простой операции оплавления покрытия. При этом плавится лишь наиболее легкоплавкая составляющая сплава. Металл детали лишь подогревается, но остается в твердом состоянии. Жидкая фаза способствует более интенсивному протеканию диффузионных процессов, В результате оплавления значительно повышается прочность сцепления покрытия с деталью, увеличивается механическая прочность, исчезает пористость, повышается изностойкость. Оплавление покрытия может быть произведено ацетилено-кислородным пламенем, плазменной струей, токами высокой частоты ив нагревательных печах. Хорошие результаты дает оплавление токами высокой частоты, так как при этом обеспечивается локальный нагрев, не нарушающий термообработки всей детали. В том случае, когда общий нагрев детали и оплавление покрытия производят в песчаной форме в электрической нагревательной печи, деталь почти не деформируется. К сплавам, подвергающимся оплавлению, предъявляют следующие требования температура плавления легкоплавкой составляющей сплава должна быть не выше 1000... 1100 Св оплавленном состоянии они должны хорошо смачивать подогретую поверхность детали и обладать свойством самофлю- сования, те. содержать флюсующие элементы. Практически всем этим требованиям в полной мере удовлетворяют порошковые сплавы на основе никеля, имеющие температуру плавления 980... 1050 Си содержащие флюсующие элементы (бор и кремний, а также 50%-ная смесь порошков ПГ-СРЗ и ПГ-С1 с температурой плавления в интервале С. Технологический процесс восстановления деталей с оплавлением покрытия включает в себя шлифование деталей для обеспечения правильной геометрической формы восстанавливаемой поверхности дробеструйную обработку нанесение покрытия при режиме, рекомендованном для плазменного напыления оплавление покрытия на установке т.в.ч. (частота тока 75... 100 кГц, зазор между деталью и индуктором 5 ... 6 мм, частота вращения детали 15... 20 об/мин, сила тока высокой ступени генератора т. в. ч. 5... 8 А шлифование поверхности детали до требуемого размера. Оплавление покрытия из сплавов на основе никеля ПГ-СР2, ПГ-СРЗ и ПГ-СР4 имеют следующие свойства макротвердость покрытий э 35 ... 60 в зависимости от содержания в них бора благодаря присутствию в структуре покрытий твердых кристаллов (боридов и карбидов) значительно повышается износостойкость (при напылении сплавом ПГ-СР4 она в 2... 3 раза превышает износостойкость стали 45, закаленной до твердости НRС э 54... 58, а при напылении порошковой смесью, состоящей из 50% ПГ-СР4 и 50% ПГ-С1,- враз прочность сцепления покрытия с поверхностью стальных деталей превышает враз и составляет 4000... 4500 кгс/см2; усталостная прочность деталей после оплавления покрытия повышается на 20...25%, что объясняется упрочняющим влиянием покрытия. Плазменное напыление с последующим оплавлением покрытия является весьма перспективным способом восстановления деталей, так как позволяет возвратить им не только свойства новых деталей, но и значительно их улучшить. Этим способом можно восстанавливать поверхности деталей, работающих в условиях значительных знакопеременных и контактных нагрузок (кулачки распределительных валов, шейки коленчатых валов и др. При плазменном напылении наиболее вредными для здоровья работающих являются шум, загрязнение воздуха, ультрафиолетовые и инфракрасные излучения. Шум плазменной струи в непосредственной близости от плазмотрона достигает 115 ... 120 дБ. Для защиты оператора от шума рекомендуется покрытия наносить в специальных камерах. При плазменном напылении воздух помещения может загрязняться металлической пылью, аэрозолями обрабатываемых материалов и окислами азота. Для защиты оператора в этом случае также служат специальные камеры с местным отсосом воздуха. Плазменная струя является интенсивным источником инфракрасного и ультрафиолетового излучения, поэтому оператор должен работать в защитной маске со светофильтром. Meталлизационные камеры также оборудуют соответствующими светофильтрами. Руки от излучения защищаются рукавицами из асбестовой ткани. Требования к технике безопасности при газоплазменном и электродуговом напылении предъявляются те же, что и при выполнении работ по газовой и электродуговой сварке. |