Характеристики и назначение порошков для газопламенного нанесения покрытий

Марка порошка	Основа	Твердость, НRС	Характеристика покрытия	Область применения метода
Самофлюсующиеся порошки для газопорошковой наплавки
ПГ-10Н-01 ПГ-10К-01 ПГ-10Н-04	Н кель Кобальт Никель	56...63 46...51 86...97 НRВ	Износостойкое, коррозионно-стойкое, беспористое гладкое покрытие с высо­кими физико-механическими свойствами и адгезией	Для восстановления деталей из стали, чугуна с местным износом, работающих при знакопеременных нагрузках, в агрес­сивных средах и при повышенных температурах
Самофлюсующиеся порошки для газопламенного напыления с последующим
оплавлением
ПГ-12Н-01, ПГ-12Н-02, ПС-12НВК-01	Никель Никель Порошковая смесь	36...45 46...53 56...63	Износостойкое, коррозионно-стойкое покрытие с высокой адгезией	Для восстановления деталей типа «вал», работающих при знакопеременных нагруз­ках, абразивном изнашивании и при воздействии высоких температур
Порошковые материалы для газопламенного напыления вез последующего оплавления
ПТ-19Н-01, ПТ-НА-01, ПГ-19М-01,   ПГ-19Н-01	Никель Никель Медь   Железо	30...41 — 65...72 НКВ 74...72 НКВ	Износостойкое, коррозионно-стойкое покрытие с невысокой адгезией и пористой структурой	Для восстановления и упрочнения посадочных мест деталей типа вал», не подвергающихся в процессе экс­плуатации удар­ным и сильным знакопеременным нагрузкам

Основное назначение аппарата для напыления — подавать по­рошок в ядро факела пламени. В зависимости от способа подачи порошка из питателя различают два вида аппаратов напыления.

У инжекторного газопламенного распылительного аппарата поро­шок через клапан, размещенный в корпусе аппарата, под влиянием всасывающего воздействия кислорода и горючего газа, протекающего по каналу, попадает в сопло, а затем — в ядро пламени (рис. 14.5).

Особенностью распылительных аппаратов косвенной (наруж­ной) подачи порошка является многоканальное сопло, через кото­рое проходит газовая смесь, образующаяся в смесительной камере. Порошок из бункера попадает в ядро пламени через верхнюю часть факела по принципу гравитации по направляющей трубке (рис. 14.6).

Основная трудность при конструировании горелок — обеспече­ние разряжения канала порошкового бункера при соблюдении безопасности, т. е. необходимо исключить возможность обратного удара пламени в бункер.

В комплект оборудования для участка газопламенного напыления на изношенную поверхность детали входят: аппараты для напыле­ния (021-4 ВНПО «Ремдеталь», ОКС-5531-ГОСНИТИ, УПТР-1-78); горелка для наплавки (ГН-2); станки токарные и круглошлифо-вальные для предварительной и последующей обработки напылен­ного слоя (ЗВ1161, ЗА151, ЗБ12, ЗА423); установка для восстановле­ния деталей типа «вал»; универсальная установка для восстановле­ния коленчатых валов (вращатель); установка для струйной обработки деталей; щуп газовый для контроля давления воздуха и газов; ре­дукторы: ацетиленовый (ДАП-2), кислородный (ДКП-1-65), про-иановый (ДПП-1-65); шланги: кислородные (типа III ВН 0 12), пропановые и ацетиленовые (типа I ВН 0 12); баллоны: кислород­ный и ацетиленовый; ацетиленовый генератор низкого и среднего давления (при отсутствии ацетилена в баллонах) — только для газопорошковой наплавки; бормашина; печь для сушки порошка (температура до 500 °С); термометр (ТХ*-1479 или ТП); стеллаж (ОРГ-1468-06-92А); набор сит с ячейками; стол сварщика (С 19920 «Ремдеталь»; подставка под баллоны; технический ацетилен (газо-балонный) в баллонах; технический кислород (газобалонный); ацетон; композиционные самофлюсующиеся порошки; порошок электрокорунда (50...800 мкм); фильтр-масловлагоотделитель (5.1278-72 ДВ 41-16); синтетические моющие средства (для обез­жиривания деталей); порошки. Схема технологического процесса, которую можно принять на данном участке, приведена на рис. 14.7.

Рис. 14.5. Модернизированная горелка ГН-2: 1 — мундштук; 2 — бункер; 3 — рычаг; 4, 5 — инжектор; 6— вентиль; 7— штуцер

Газопламенному напылению подвергаются следующие детали (по­рошки: ПТ-НА-01 — для подслоя + ПТ-19-ОИ или ПГ-19М-01 — для основного слоя): посадочные места — картер маховика; маховик; валы (ведущий, раздаточный, промежуточный, первичный, вто­ричный и т.д.); опоры коренных подшипников, посадочные отвер­стия под гильзу — блок цилиндров; посадочные пояски, опорные буртик — гильза цилиндров; опорные шейки — распределительный вал; нижняя головка — шатун; шейки под шарикоподшипники — вал редуктора; коренные и шатунные шейки — коленчатый вал.

Рис. 14.6. Горелка ОКС-5531:

1 — подводящая труба; 2 — емкость; 3 — курок; 4 — установочный штырь; 5 — пробка; 6 — наконечник

Газопламенное напыление без последующего оплавления осуществ­ляют в два этапа: напыление подслоя (порошок ПТ-НА-01); на­пыление основного слоя (порошок ПТ-19Н-01 или др.).

Фигурные и плоские детали напыляют вручную или по копиру, детали типа «вал» — вручную или при автоматической подаче ап­парата со скоростью 8 мм за один оборот детали.

Предварительно деталь подогревают горелкой при избытке аце­тилена, с тем, чтобы противодействовать окислению поверхности. Стальные детали подогревают до 50... 100°С, бронзовые и латун­ные — до 300 °С.

При напылении участков значительной длины после первого про­хода следует остановить подачу порошка и начать процесс с охлаж­денного конца детали. Основной слой наносят за несколько прохо­дов; толщина покрытия должна быть не больше 2,0 мм на сторону.

Напыление с последующим оплавлением. Оплавление следует прово­дить сразу же за напылением, оно может быть выполнено с исполь­зованием тепла ацетиленокислородного пламени, нагревом ТВЧ, лазерным лучом в печи с защитно-восстановительной атмосфе­рой. Участок, покрытый порошком, нагревают до полного расплавления всех зерен металла в напыленном слое, в результате получают блестящую поверхность. Во избежание перегрева, а следовательно, возможного образования окислов, усадки и отслоения напылен­ного покрытия необходимо соблюдать следующие требования: сна­чала напыленный слой оплавляют в середине, затем аппарат пере­мещают поочередно к концам напыленного слоя и оплавляют по­рошок. Деталь охлаждают в соответственно нагретых печах. Твердость напыленных покрытий — в зависимости от марки порошка.

Рис. 14.7. Схема технологического процесса

Для напыленных покрытий с твердостью до НКС 40 возможна токарная обработка резцами с пластинами из твердых сплавов марки ВК8 или резцами с пластинами из боронитрида. Токарную обра­ботку покрытий выполняют в несколько этапов: снятие фасок с края покрытия; снятие неровностей — выполняется от середины покрытия к концам; окончательная обработка.

Для обработки цилиндрических деталей типа «вал» применяют круглошлифовальные станки (ЗВ161, ЗБ12, ЗА151 и другие). При обработке шлифованием обязательно применение охлаждающей жидкости, в качестве которой можно использовать 2...3%-й раст­вор кальцинированной соды. Шлифование проводится непосред­ственно после нанесения покрытий или после предварительной то­карной обработки. Шлифование напыленных покрытий с твердо­стью до НКС 60 выполняется кругами из карбида кремния или белого электрокорунда, а покрытие более НКС 60 — алмазными кругами.

Режим напыления

Давление, МПа

кислорода..................................................................0,34...0,45

ацетилена...................................................................0,03...0,05

Расход, л/ч

кислорода...................................................................800...1000

ацетилена.....................................................................600...800

Частота вращения детали (мин^-1)

при диаметре восстанавливаемой

поверхности, мм

до 40.......................................................................................250

40...80.....................................................................................150

80... 160.....................................................................................75

160...250...................................................................................50

Дистанция напыления, мм.................................................150...250

Продольная подача аппарата, мм/об.........................................3...4

Расход порошка, кг/ч............................................................2,5...3,0

Остродефицитность и высокая стоимость ацетилена определи­ли направление дальнейшего развития газопламенного напыле­ния. Анализ и изучение газопламенной наплавки и напыления вы­явили повышенную энергонасыщенность процесса при использо­вании ацетилена. Начальные условия возможности перевода процесса на более низкую энергетическую ступень определились из физических параметров двухфазного потока ацетиленокислородного и пропанокислородного пламени. Их энергетические ба­лансы неадекватны. Разница температур между ними 400°С в пользу ацетиленокислородного пламени. Это основной недостаток. Но есть и преимущества — это скорость истечения пропанокисло­родного пламени, которая ниже ацетиленокислородного, и уве­личенное по длине ядро пламени, так как основной нагрев час­тиц происходит внутри ядра пламени.

Для рационального использования пропано-кислородного пла­мени необходима аппаратура, обеспечивающая устойчивое горе­ние пламени, как с порошком, так и без него. С этой целью была модернизирована серийная горелка ГН-2, при этом допускается снижение производительности на 20... 30 % вследствие разницы тем­пературы пламени. Расход пропана в 1,5...2,0 раза ниже расхода ацетилена, а стоимость последнего в 3...4 раза выше.

Детонационное напыление

Детонационные покрытия формируются с помощью ударных волн, периодически инициируемых микровзрывами смеси кисло­рода и ацетилена.

Установка детонационного напыления (рис. 14.8) состоит из камеры сгорания, выполненной совместно с водоохлаждаемой трубкой-створом 5, электрической свечи 2, газопроводом по кис­лороду и ацетилену 1, порошкового дозатора 4 и источника тока 3. Детали устанавливаются на мишени на расстоянии 70... 150 мм от края створа детонационной пушки.

Технология нанесения покрытия заключается в следующем:

подача кислорода и ацетилена в камеру сгорания; подача до­зируемого количества напыля­емого порошка из питателя в потоке азота; смесь кислорода и ацетилена поджигается элек­трической искрой; взрыв (вы­деляется большое количество тепла); возрастание давление в трубке-стволе; выстрел порош­ка из трубки-ствола по направ­лению мишени.

В результате взрыва и после него в камеру непрерывно по­ступает азот; защищающий га­зовые клапаны от действия взрыва и очищающий от про­дуктов сгорания ствола и ка­меру сгорания.

Рис. 14.8. Схема установки для нане­сения детонационного покрытия:

1 — газопровод; 2 — электрическая све­ча; 3 — источник тока; 4 — порошковый дозатор; 5 — трубка-створ; 6 — подлож­ка; 7 — покрытие; 8 — порошок

Цикл взрыва длится 0,23 с, т.е. в секунду производится 3...4 взрыва.

При каждом взрыве на ограниченный участок поверхности на­носится покрытие толщиной 6,3 мкм. Последовательным нанесе­нием порошка на отдельные участки создаются сплошные покры­тия. Обычно это достигается перемещением детали относительно канала ствола.

Во взрывной волне газ сжимается до давления десятков атмос­фер с температурой несколько тысяч градусов. Несмотря на высо­кие температуры, развивающиеся в месте контакта частиц порош­ка с подложкой, деталь не нагревается до температуры более 200°С.

Уровень шума при работе детонационной установки — 140 дБ, что выше предела допустимого техникой безопасности (80 дБ). Поэтому установка помещается в звуконепроницаемую камеру и управляется оператором, расположенным за перегородкой.

После достижения детонационной волной открытого конца ствола она увлекает напыляющие частицы и в виде двухфазного пото­ка (продукты детонации и напыляемые частицы) движется к ми­шени. Скорость потока на выходе из ствола составляет 875 м/с, материал покрытия выбрасывается взрывной волной на обрабаты­ваемую поверхность со сверхзвуковой скоростью.

В двухфазном потоке продукты детонации нагреваются и уско­ряют напыляемые частицы, которые могут плавиться и испаряться. Вблизи обрабатываемой подложки поток газа тормозится и расте­кается вдоль поверхности. Покрытие может формироваться из пол­ностью расплавленных частиц и из смеси расплавленного и нерас­плавленного материалов. Высокая скорость в момент удара и высокая температура в зоне взаимодействия вызывают приваривание И кристаллизацию частиц порошка на поверхности подложки.

В отличие от газопламенных и плазменных методов детонаци­онные покрытия формируются при более высоких скоростях час­тиц и наличии более крупных непроплавленных частиц в конце двухфазного потока. Это приводит к эффектам ударного прессова­ния и абразивного воздействия потока на поверхность, в результа­те чего возможно отделение частиц покрытия от подложки и уве­личение плотности уже сформированного покрытия.

Формирование первого слоя детонационного покрытия характеризуется плотным прилеганием к подложке и отсутствием пор. Это связано с плавлением микрообъемов обрабатываемой поверхности, перемешиванием материала подложки с покрытием, что способствует образованию прочной связи. Несмотря на низкую общую температуру подложки (200...250°С), контактная температура в отдельных точках достигает температуры плавления стали (-1500 °С). Поры, образующиеся при напылении первого слоя, при фор­мировании последующих слоев уменьшаются в объеме или исчезают в результате эффекта горячего ударного прессования.

Двухфазный поток ударной волны неоднороден по длине. Для нерасплавленного металла он минимален в начале потока и мак­симален в конце.

В результате воздействия непроплавленных частиц в конце двух­фазного потока происходит отделение верхних слоев покрытия (эффект абразивного отделения). Верхние слои покрытия слабо связаны с материалом покрытия из-за отсутствия дополнительно­го упрочнения при напылении последующих слоев и большого количества нерасплавленных частиц.

Износостойкость поверхностных слоев покрытия толщиной 10...30 мкм низкая. Не удается нанести твердосплавные покрытия на гладкую поверхность, имеющую высокую твердость. Причиной этого служат следующие процессы:

при напылении твердые нерасплавленные частицы (например, карбид, вольфрам) внедряются в подложку; другие частицы, по­падая на горячий слой металла, проникают в него, входя в состав покрытия;

частицы карбида, попадая на внедренные частицы карбида, отскакивают от нее и не участвуют в формировании покрытия.

Толщина детонационных покрытий обычно составляет 40... 220 мкм. Покрытие состоит из трех зон: переходная зона толщиной 5... 30 мкм определяет прочность сцепления покрытия с подложкой; основная зона, толщина которой в зависимости от назначения покрытия со­ставляет 30... 150 мкм; поверхностная зона толщиной 10...40 мкм обычно удаляется при доводочных операциях.

Детонационными методами напыляют порошки чистых метал­лов — №, А1, Мо, К, окислов, карбидов, нитридов и т.д.

Комплект оборудования для нанесения покрытия включает: элек­тропечь (СНОЛ-1.6.2.5 1/13,5); вихревой аппарат (АВСП-100); пес­коструйный шкаф с инжекторным аппаратом (ВНИИАВТОГЕН-маш № 02-71.12); пескоструйный пистолет (027110); стойку с га­зовыми баллонами (не менее 3); масловлагоотделитель (ДВ 41-16); сито с ячейками; лабораторные весы (ВПА-200 г-М); твердомер и микрометрический инструмент.

Для детонационного нанесения покрытий применяются уста­новки УДН-2М, Днепр, АДК, ЛНП5, КПИ-6, АУДН-2М.

Технологический процесс детонационного нанесения покры­тий состоит из следующих операций: подготовка поверхности де­талей перед нанесением покрытий; подготовка порошка; нанесе­ние покрытий; контроль качества покрытий; механическая обра­ботка; контроль качества покрытий после механической обработки.

Для образования прочной связи между материалами детали и покрытия необходимо нанести промежуточный слой, если наблю­дается слабая адгезия между покрытием и материалом детали, если коэффициент термического расширения между покрытием и ма­териалом детали резко отличается, и если деталь работает в усло­виях переменных температур. Толщина промежуточного слоя составляет 0,05...0,15 мм. Для нанесения промежуточного слоя ис­пользуются порошки нихрома, молибдена, никель-алюминиевых сплавов, стали 12Х18Н9 и т.п.

В качестве рабочих газов используют азот и кислород, техни­ческий ацетилен и пропан-бутан. Выбор газа зависит от техничес­кой характеристики детонационно-газовой установки.

При нанесении покрытий на участки поверхности деталей ос­тальные ее части закрывают накладными экранами из тонких лис­тов металла. Для малых по площади деталей используют специаль­ные маски-экраны, которые устанавливают на расстоянии не бо­лее 50 мм от напыляемой поверхности.

Дистанцию напыления задают в зависимости от материала, раз­меров и форм детали, материала и необходимой толщины покры­тия и изменяют от 50 до 200 мм.

Необходимую толщину покрытий получают многократным по­вторением циклов стрельбы. Смещение детали между двумя цик­лами не должно превышать 0,5 диаметра створа.

14.5. Материалыдля напыления

Для напыления используют проволоку и порошки. При восста­новлении стальных и чугунных деталей напылением наиболее час­то применяют стальную проволоку диаметром 0,8...3,0 мм с со­держанием углерода 0,3...0,8%. Для увеличения износостойкости концентрация углерода должна быть выше.

Для противокоррозионных покрытий используют цинковую, алюминиевую и стальную проволоки (ст. 10Х18Н10Т).

Проволоки из алюминиевой бронзы применяют для получения ан­тифрикционных покрытий ответственных подшипников скольжения.

Для создания различных составов покрытий наиболее технологи­чно использовать при газотермическом напылении порошковые материалы.

Порошки должны иметь сферическую форму, хорошую сыпу­честь и легко подаваться питателем в плазмотрон. Размер частиц 25... 150 мкм. Более мелкие частицы не имеют достаточную кине­матическую энергию, чтобы при ударе образовать прочную связь с обрабатываемой поверхностью. Более крупные (более 150 мкм) не успевают прогреться, что также не способствует образованию проч­ной связи с подложкой.

Так как порошки гигроскопичны (интенсивно поглощают вла­гу), их следует хранить в герметичной таре или металлические по­рошки перед нанесением прокаливать при 150...200°С, а керами­ческие — при 600...800°С.

Основными характеристиками, определяющими качество по­рошка для напыления, являются текучесть, минимальный и мак­симальный размеры частиц, их форма и склонность адгезии (сли­панию и комкованию), стабильность гранулометрического и химического составов. Для получения износостойких покрытий мо­гут применяться следующие группы порошков:

порошки из самофлюсующихся сплавов на никелевой, никель-хромовой и кобальтовой основах, которые широко применяются для газопламенного напыления с последующим оплавлением покрытий. Они придают комплекс ценных эксплуатационных свойств: износо­стойкость, эрозионную и коррозионную стойкость, удовлетворите­льно противостоят высокотемпературному окислению. Недостатки — высокая стоимость, дефицит основных компонентов сплавов;

порошки из металлических сплавов;

порошки из карбидов и оксидов металла. Тугоплавкие соедине­ния применяются, в основном, с подслоем из металлических по­рошков. Только детонационное напыление позволяет наносить ра­бочие слои некоторых покрытий без подслоев;

механические смеси порошков. Смеси на основе вышеперечис­ленных групп порошков находят все большее применение для га­зотермического напыления благодаря простоте и невысокой сто­имости их приготовления. Однако использование механических смесей порошков имеет существенные недостатки, главным из которых является сегрегация (расслоение) компонентов при сме­шивании, транспортировании из дозирующих устройств в струю, а также в процессе напыления. Сегрегация компонентов смесей приводит к неравномерности структуры покрытия, увеличению пористости, снижению прочности и ухудшению эксплуатацион­ных характеристик покрытия. Механические смеси не поддаются стандартизации, поэтому их составы, как правило, подбирают опытным путем. Особых способов приготовления такие смеси не требуют. Они могут перемешиваться на любом оборудовании или спекаться с последующим дроблением;

композиционные порошки представляют собой интегрирован­ные комплексы исходных компонентов (металл, керамика, пласт­масса) в каждой порошковой частице.

Классифицировать эти порошки можно по типу строения час­тиц, характеру поведения компонентов при напылении и по ме­тодам получения и назначения.

По типу строения различают плакированные и конгломерат­ные частицы (рис. 14.9).

Плакированная частица (рис. 14.9, а) представляет собой ис­ходную частицу (ядро) одного из материалов, на поверхности ко­торой расположен один или несколько слоев других материалов.

Частица композиционного порошка конгломератного типа сфор­мирована из множества исходных частиц нескольких материалов. У гетеродисперсных конгломератных частиц (рис. 14.9, в) между дисперсностью компонентов существует большая разница и части­цы одного из них служат основой (ядром). На ее поверхности разме­щаются частицы остальных компонентов. В этом случае отношение диаметра частиц основы к диаметру частиц остальных компонентов составляет 10:20. Гимодисперсные конгломератные частицы (рис. 14.9, б) формируются из различных исходных компонентов с частицами, близкими по размеру (отношение диаметров обычно 1:3).

Рис. 14.9. Конструкция композитных порошков:

а — плакированная частица; б — гимодисперсные конгломе­ратные частицы; в — гетеродисперсные конгломератные час­тицы; г,д,е — структуры смешанного типа

Комбинация этих основных типов позволяет получить ряд струк­тур смешанного типа (рис. 14.9, г, д, е).

По характеру поведения при напылении композиционные порош­ки делятся на реагирующие при нагреве и термонейтральные. В первом случае получение покрытия совмещено с синтезом новых ве­ществ, и его состав резко отличается от исходного состава частиц. Во втором случае существенного изменения состава в процессе на­пыления не происходит.