Сущность процесса и способы напыления

Глава 5. Восстановление деталей высокотемпературным напылением

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.

■ '

Глава 5. Восстановление деталей высокотемпературным напылением

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 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.

■ '