Разработка типовых технологических процессов газотермического нанесения покрытия

 

Цель работы: реализация требований к знаниям и умениям, какими должен овладеть студент относительно назначения параметров режимов напыления и разработки операционного технологического процесса нанесения газотермического покрытия; выбора значения технологических параметров режима напыления.

Технологический процесс, который выполняется по документации, в которой содержание операции излагается с указанием переходов и режимов обработки называется операционным технологическим процессом.

Часть технологической операции, которая выполняется при неизменном закреплении заготовки или детали называется установкой.

Окончательная часть технологической операции, которая характеризуется неизменной постоянностью используемого инструмента и поверхностью, которая обрабатывается при неизменных параметрах режима, или соединяется при сборке, называется технологическим переходом.

Технологические (основные) переходы связаны с изменением размеров детали, формы, свойств материала, и т.д. Их формируют в виде точного указания о выполненном действии. Например, "напылить основной слой толщиной 0,3 мм за один проход под посадочное место подшипника Ø39 мм на длине 25 мм.

Вспомогательный переход - не сопровождается никакими изменениями формы, размеров, чистоты поверхности, но необходим для выполнения технологического перехода. Например, установка заготовки, замена инструмента, и т.д.

Законченая часть технологического перехода, которая составляет однократное перемещение инструмента относительно заготовки, которое сопровождается изменением формы, размеров, чистоты поверхности или свойств заготовки называется рабочим ходом. Например, напыление одного слоя металла.

Вспомогательный ход используется для возвращения инструмента (устройства) в исходное положение. Фиксированное положение, которое занимает неизменное закрепленная заготовка или деталь вместе с устройством относительно инструмента или недвижимой частью оборудования для выполнения определенной части операции называется позицией.

Маршрутно-операционный технологический процесс это процесс, который выполняется по документации, в которой содержание отдельных операций выкладывается без указания переходов и режимов обработки.

Типовой технологический процессхарактеризуется единством содержания и последовательностью большинства технологических операций и переходов для группы изделий с общими конструктивными признаками.

Основными параметрами технологического процесса газопламенного напыления являются:

· затраты кислорода ,

· затраты горючего газа ,

· затраты транспортирующего газа (это может быть кислород или воздух) ,

· давление газов (кислорода, горючего газа, транспортирующего газа) ,

· соотношения между кислородом и горючим газом в смеси ,

· затраты порошка ,

· грануляция порошка ,

· диаметр и скорость подачи проволоки ,

· скорость относительного перемещения горелки для напыления и изделия ,

· число оборотов цилиндрической детали ,

· дистанция напыления ,

Все параметры технологического процесса, которые приведены в технической литературе, как правило относятся к конкретному оборудованию и используемым материалам.

В таблице 17 приведены параметры напыления некоторых порошков при использовании наиболее распространенного оборудования.

 

Таблица 17 - Параметры напыления порошкового материала

газопламенным напылением.

Наименование оборудования, тип	Напыляемый материал	Производительность кг/ч	Рабочий газ	КНМ	Грануляция порошка, мкм
Вид	Давление, МПа	Расход, м^3/ч
Горелка ГН-2	СНГН-50 ВСНГН, НПЧ, НПФ	7-9-9	Ацетилен кислород	0,1-0,35	1,7-2,4	0,75	40-150
Установка УГПЛ	Цинковый порошок,	7,0	Ацетилен,	0,03..-0,1	0,8-1	0,7	5-10
полимерный порошок ПФН-12	11,0	Сжатый воздух	0,3-0,6	2,5-3,0	150-250
Установка УГПТ	ПГ-12Г-01		Ацетилен,	0,03-0,1	1,33	0,95	30-160
Кислород	0,15-0,3	2,95
Установка УПН 8-68	СНГН	4,8	Ацетилен	0,035-0,05	1,7	0,8-0,9	30-150
Оксид алюминий	1,5	кислород	0,4	2,2	0,65-0,75
Установка УПТР 1-78	ПГ-12Н-01	9,6	Ацетилен	0,095	0,95 до 2,0	0,98	30-125
кислород	0,15

В каждом конкретном случае нанесения покрытия, приведенные в таблице параметры подлежат коррекции. Чаще всего для этого используются математические методы планирования эксперимента и оптимизации технологических процессов.

Для исходных данных при планировании эксперимента и оптимизации технологических процессов, кроме приведенных в таблице 17 данных можно использовать так же среднестатистические данные, рекомендованные в разных источниках технической литературы.

Давление горючего газа . При этом расход находится в пределах . Давление кислорода находится в пределах . Соотношение между горючим газом и кислородом для ацетелено - кислородной смеси и пропан - кислородной смеси . Давление воздуха, который используется для сжатия, газового пламени , расходы в пределах . Если оно используется как транспортирующий газ, его давление будет в пределах расходы .

Дисперсность порошка, который подается в газовое пламя находится в пределах , затраты порошка .

Диаметр присадочной проволоки, который используется при газопламенном напыления находится в пределах от 1,0 до 5,0 мм скорость подачи в пределах .

Дистанция напыления в зависимости от материала для напыления горючей смеси и оборудования которое используется, находится в пределах 100...200 мм.

Скорость относительного перемещения горелки относительно изделия рассчитывается по формуле:

где масса напыляемого металла;

плотность напыляемого слоя кг/м³,

коэффициент использования материала;

радиус рассеяния, м;

толщина слоя, который наносится за 1 проход, мм;

время напыления, мин.

Плотность покрытия некоторых материалов приведена в табл. 18.

 

Таблица 18 - Плотность покрытия разных материалов и сплавов

 

Материал		Материал
Алюминий	2,35	Молибден	9,05
Силумин	2,32	Никель	7,58
Латунь (70-30)	7,43	Фосфористая бронза	7,45
Латунь (60-40)	7,38	Серебро	9,10
Бронза (60-40)	7,65	Углеродистая сталь	6,77
Нихром	7,28	Низколегированная сталь	6,84
Медь	7,56	Нержавеющая сталь	6,98
Свинец	10,00	Олово	6,83
Магний	1,52	Цинк	5,35

 

К технологическим параметрам процесса плазменного напыления покрытия относятся:

· напряжение на дуге и сила тока , которые определяют мощность дуги ,

· вид и затраты плазмообразующего газа ,

· массовые затраты порошка или диаметр провода и скорость его подачи ,

· затраты транспортирующего газа ,

· дистанция напыления ,

· скорость относительного перемещения плазмотрона относительно изделия или мм/об;

· число оборотов цилиндрической детали ,

· давление газов ,

· грануляция порошка .

Технологические параметры процесса плазменного напыления, для некоторого серийного оборудования плазменного напыления при использовании наиболее распространенных порошков приведены в таблицах 19; 20; 21; 22; 23.

 

Таблица 19 - Режимы плазменно-дугового напыления покрытия при

использовании смеси сжатого воздуха с природным

газом (пропан - бутаном) при работе на установке

"Киев-7"

 

Напыляемый порошок	Ток, А	Напряжение, В	Затраты газов, м^3/ч	Дистанция напыления, мм.
Воздух	Природный газ	Пропан-бутан
Бронза			4,5-5,0	0,3-0,5	0,11-0,15	150-180
ХВС-7			3,5-9,0	1,4-1,5	0,35-0,45
ПН70Х17С4Г4		245-250	8,5-9,0	1,4-1,5	0,35-0,45	290-300
Оксид алюминия (глинозем ГА85)		210-215	4,5-5,0	0,11-0,16	0,3-0,5	290-300

 

Таблица 20 - Режимы плазменно-дугового напыления на установке

УМП-6

Напыляемый порошок	Ток, А	Напряжение, В	Расход газа, МПа^*	Дистанция напыления, мм.
Плазмообразующего	транспортирующего
аргон	азот
ПН70Ю30		60-75	0,2	0,2	0,06	120-140
Оксид алюминия		90-110	0,2	0,2	0,06	100-110
Самофлюсующиеся сплавы		60-75	0,2	0,2	0,1	120-150

^* Давление газа определяет расход и устанавливается при достижении заданного напряжения.

 

Таблица 21 - Режимы плазменно-дугового напыления покрытий на

установке УПУ-ЗД с использованием аргоно – аммиачной

смеси

Напыляемый порошок	Ток, А	Напряжение, В	Расход газа, л/мин	Дистанция напыления, мм.
Плазмообразующего	транспортирующего
аргон	аммиак
аргон
ПН55Т45 ПН85Ю15 ПН70Ю30 ПТ-Ю10-Н	250-270	45-50	32-40	5-10	2,0-2,8	120-140
Оксид алюминия	340-360	60-65	30-35	8-12	2,0-2,8	100-110
Диоксид циркония	340-360		30-35	8-12	2,0-2,8	100-110

 

 

Таблица 22 - Режимы плазменно-дугового напыления покрытий

плазмотроном с межэлектродной вставкой ПН-25

 

Напыляемый порошок	Ток, А	Напряжение, В	Расход газа л/мин, плазмообразующий аргон	Расход порошка, кг/ч	Дистанция напыления, мм.
ПН55Т45 ПН88Ю15	210-260	95-105	35-40	2,0-2,5	120-140
ПМ-ХНСР	210-220	90-95	30-35	4,0-5,0	120-160
Оксид алюминия	240-250	95-100	25-30	1,0-1,5	100-140
Диоксид циркония	250-260	95-100	-	2,0-3,0	100-140

 

Таблица 23 - Режимы плазменно-дугового напыления покрытий на

комплекте 321.011 (г. Черкассы)

Напыляемый порошок	Ток, А	Напряжение, В	Давление газов, МПа	Расход газа, л/мин.	Дистанция напыления, мм
плазмо-образующий	Транспорти- рующий
аргон	водород	аргон
Интерметаллические , сплавы термореактивные	400-450	65-75	0,15	35-40	9,5-10,5	1,0-1-1,8
Электрокорунд 15А, рутиловый концентрат	450-500	60-75	0,15	35-40	11-12	-

 

Для плазменного напыления используют порошки грануляцией от 10 до 200 мкм. Обычная скорость расхода порошка составляет 0,25-2,00 г/с.При использовании проволоки для плазменного напыления его диаметр находится в пределах 0,8-2,5 мм. Дистанция напыления составляет 50-300мм.

Приведенные параметры требуют уточнения для конкретных условий их использования с учетом конструкции плазмотрона, технологических возможностей установки и свойств напыляемого материала.

Для поиска оптимального режима газотермического напыления необходимо использовать методы планирования эксперимента.

Наиболее простым методом планирования эксперимента является метод крутого восхождения Бокса-Уилсона, что состоит в постановке последовательных, небольших серий экспериментов в каждом из которых изменяются по определенным правилам все факторы.

Число экспериментов в каждой серии определяется как 2^к, где к-число факторов, а 2-число уровней (значения) каждого фактора. Таким образом для случая необходимо провести 32 эксперимента.

Серии организовываются таким образом, чтобы после предыдущей математической обработки можно было бы выбрать условия проведения, - спланировать, - дальнейшую серию. Так последовательно определяется зона оптимума.

На первом этапе планирования эксперимента необходимо выбрать модель исследования процесса.

Под моделью понимают вид функции отклика:

(2.1)

где: параметр оптимизации, который является откликом на действие факторов .

Он должен быть количественным, и измеряться при любой возможной комбинации уровня факторов. Параметром оптимизации У для технологических процессов нанесения покрытия, который характеризует качество покрытия, может быть:

плотность покрытия (пористость),

прочность сцепления с основой,

- твердость покрытия,

коэффициент использования материала,

толщина покрытия,

шероховатость покрытия,

стойкость срабатыванию и тому подобное.

Выбор исходных параметров газотермических процессов нанесения покрытия является сложной задачей, так как обеспечение высоких показателей по одному из перечисленных выше параметров оптимизации может привести к снижению других. Поэтому необходимо определить основной параметр оптимизации и влияние на него параметров процесса.

Методику выбора входного параметра рассмотрим на примере повышения ресурса работы пары трения "плунжер-цилиндр" жидконасосов, которые подают строительные растворы. Она подвергается интенсивному действию абразивных частиц, которые входят в состав строительных растворов.

Анализ влияния таких характеристик как твердость напыляемой поверхности, ее пористость , прочность сцепления на отрыв и внутренние напряжения в покрытии , которые представлены на рис. 2, показали, что наиболее влияют на интенсивность срабатывания твердость поверхности, - обратно пропорционально, - и пористость — прямо пропорционально.

 

Рисунок 2 - Влияние качественных характеристик покрытия на

стойкость срабатывания

 

Достичь необходимой твердости поверхности покрытия можно, за счет подбора соответствующего материала для нанесения покрытия, а пористость определяется технологическими параметрами нанесения покрытия.

Проанализировав влияние характеристик качества поверхности на стойкость срабатыванию, можно определить параметр оптимизации. Ранжировать по важности их можно таким образом: стойкость срабатыванию непосредственно, твердость поверхности НВ, пористость поверхности уровень внутренних напряжений , прочность сцепления на отрыв .

При оптимизации любого процесса газотермического нанесения покрытий после анализа всех параметров процесса, плазмотрона, горелки, установки в целом необходимо провести ранжирование параметров за степенью их влияния на качество покрытий и на эффективность процесса.

При плазменном напылении износостойкого покрытия на пару трения "плунжер-цилиндр" для оптимизации процесса были выбраны такие наиболее существенные параметры:

мощность плазмотрона;

дистанция напыления;

массовый расход порошка;

расход плазмообразующего газа;

состав или размер напыляемого порошка.

Для оптимизации технологического процесса плазменного нанесения покрытий на пару трения "плунжер-цилиндр" было выбрано минимальное срабатывание покрытия и математическая модель оптимизации в общем виде представленная формулой:

 

(2)

 

Оптимизацию технологических параметров в зависимости от величины срабатывания поверхности можно проводить на основе ортогонального центрального плана второго порядка:

 

(3)

 

За входящие факторы моделирования взятые такие режимы напыления: сила тока в А, которая характеризует изменение мощности плазмотрона, учитывая, что для данного типа плазмотрона и плазмообразующей смеси; дистанция напыления , расход плазмообразующих газов , расход напыляемого материала , состав напыляемого порошка в % количества никеля в композиционном порошке карбида бора плакированного никелем.

Такие параметры, как угловая скорость вращения детали , и скорость перемещения плазмотрона с линейной скоростью , взяты по результатам предыдущих исследований постоянными.

После выбора функции отклика и входных параметров начинается второй этап планирования эксперимента. Создается матрица планирования - таблица в которой сроки отвечают разным экспериментам, а столбцы - значением факторов.

Для этого определяются уровни, на которые варьируются факторы.

С этой целью выбирается исходная точка, так называемый "нулевой уровень" для каждого из факторов, который, исходя из предыдущих исследований должен давать значение исходного параметра близкого к оптимальным.

В качестве "нулевого уровня" выбираем рекомендованные в таблицах , в литературе или полученные при предыдущих исследованиях средние значения параметров режимов напыления.

После этого в зоне оптимальных параметров определяется интервал варьирования, то есть число, добавления которого к нулевому (основному) уровню дает верхний уровень, а вычитание нижний уровень фактора.

Для упрощения записи условий проведения эксперимента и обработки экспериментальных данных, масштабы по осям выбирают так, чтобы верхний уровень отвечал-"+1", нижний - "-1", а основной - "0".

Если сведения об оптимальной зоне параметров технологического процесса который оптимизируется отсутствуют, то за "нулевой" уровень выбирается произвольная точка или проводится небольшое количество ориентировочных опытов.

В нашем случае значения факторов и уровни их варьирования выбраны на основании ориентировочных опытов напыления порошка карбида бора плакированного никелем на модернизованной промышленной установке АПР-404 при использовании плазмообразующего газа - воздуха с добавкой углеродных газов. Значения факторов и уровня их варьирования приведены в таблице 24.

В соответствии с методикой планирования экспериментов (Винарский М.С., Лурье М.В. Планирование экспериментов в технологических исследованиях. - К.: Техника, 1975.-315 с.) номинальные уровни выбранных факторов устанавливаются предварительно с использованием линейных регрессионных моделей и метода крутого восхождения Бокса-Уилсона.

 

Таблица 24 - Значения факторов и уровня их варьирования

Факторы	Сила тока,	Дистанция напыления	Расход плазмообразующего газа	Расход материала напыления	Содержимое никеля в порошке
Наименование	Код
Основной уровень	0,0			1,75	1,75	17,5
Звездная точка	+1,547			3,0	3,0
Верхний уровень	+1,0			2,56	2,56	25,6
Нижний уровень	-1,0			0,94	0,94	9,4
Звездная точка	-1,547			0,5	0,5	5,0

 

Использовав выражение (2) и выполнив расчеты на ПВМ по разработанной программе, можно определить коэффициенты регрессии уравнения оптимизации процесса. После проверки адекватности модели по критерию Фишера получают математическое описание процесса срабатывания в кодированных значениях.

Переход к кодовому значению факторов определяется по формулам:

(4)

где: и соответственно максимальное и минимальное значения фактора;

звездное значение ортогонального центрального композиционного плана.

Для 5-ти факторного плана .

Для случая, который рассматривается:

(5)

 

Подставим в выражение (5) кодированные значения факторов

 

(6)

 

в натуральных величинах и получим математическую модель в реальной системе координат.

В частности для случая, который рассматривается:

 

(7)

 

Полученную модель можно проанализировать с помощью ПВМ на минимальное значение срабатыванию в зависимости от технологических факторов. Подставив в выражение (7) действительные значения величины режимов напыления, для нашего случая можно рассчитать срабатывание слоя покрытия.

При использовании оптимальных параметров режима плазменно-дугового напыления

 

,

 

срабатывания покрытий напыленных композиционным порошком карбида бора, плакированного никелем составляет

 

.

Экспериментальные исследования напыленных по предложенной технологии плунжеров жидконасосов показали, что их среднее срабатывание составляет .

Расхождение между расчетными и полученными в условиях эксплуатации данными составляет 5-7%.

К технологическим параметрам детонационного напыления относятся:

· расход кислорода ,

· расход горючего газа (ацетилена, пропана, водорода) ,

· затраты технологического газа (азота, аргона) ,

· давление газов ,

· соотношение между кислородом и горючим газом в смеси ,

· время цикла процесса или быстострельность ,

· затраты порошка и его грануляция ,

· дистанция напыления ,

· скорость относительного перемещения пушки и изделия или ,

· число оборотов цилиндрической детали .

Основные принципы построения и оптимизации технологического процесса детонационного напыления покрытия из порошковых материалов можно сформулировать таким образом. Все порошки, которые используются можно разбить на две группы. К первой группе входят порошки с температурой плавления материалов до 2000 К.Для этой группы материалов характерно то, что частицы легкоплавкого материала нагреваются к температуре кипения и при выборе режимов для таких порошков необходимо не допускать интенсивного испарения легкоплавкого материала. В первую очередь температуру частиц снижают введение максимально возможного количества порошка, а потом, если нужно, добавляют в смесь технологический (нейтральный) газ или используют недозаполнение ствола.

Методика построения технологического процесса для таких порошков следующая. На первом этапе выбирают порошки с наиболее мелкой фракцией. Минимальный размер ограничивается свойством стабильного транспортирования порошка в ствол установки и определяется конструктивными свойствами дозатора.

Потом определяется ориентированный состав взрывной смеси. Соотношение для таких порошков берется в границах 1,051...1,4. Для порошков, температура плавления которых возле . Для снижения температуры в границах используют недозаполнение ствола. Для большего снижения температуры прибавляют во взрывную смесь технологический газ. Заключительным этапом построения технологического процесса есть выбор оптимального значения начального расположения частиц порошка в стволе пушки.

Технологический процесс второй группы материала порошков, в которых температура плавления выше 2000 К,строится в той же последовательности, как и для первой группы. Но ориентировочный состав смеси . Причем, чем выше температура плавления частиц, тем более берется соотношения кислорода к ацетилену. Количество порошка, который подается в пушку, определяется таким образом, чтобы она практически не уменьшала энергетические параметры частиц.

Технологические параметры процессов детонационного напыления на установке УДК-11 представленные в таблицы 25, а на установке АДК "Прометей" в таблице 26. Обычные затраты кислорода и ацетилена составляют от 0,2 до 6,0 м³/ч.Давление газов составляет . Время цикла составляет и состоит из 3-х составных:

 

 

где: время, необходимое для заполнения камеры и ствола газовой смесью;

время, необходимое для создания взрыва и выброса продуктов детонации и порошка;

время продувки камеры и ствола.

 

Таблица 25 - Параметры детонационного напыления покрытий на

установке УДК-11 с длиной ствола 1,6 м

 

Параметры и характеристика процесса напыления	Напыляемый материал
ВК-15	ВН-20	КХН-15	Х20Н80
Диаметр частиц порошка, мкм	20-40	20-40	40-60	20-60	10-30	20-40
Состав смеси,	1,1	1,1	1,1	1,1	2,5	2,5
Добавка азота в смесь, %
Величина порции порошка по длине ствола пушки, г	08-1,0	0,8-1,0	09-1,2	1,0-1,2	0,8-1,0	1,0-1,2
Производительность, г/выстрел	0,15	0,15	0,15	0,04	0,02	0,02

 

 

Таблица 26 - Технологические параметры напыления покрытий на

установке АДК «Прометей»

 

Параметры	Порошок
Никель электролитический ГОСТ 9722-79	Сплав карбид вольфрама-кобальт ТУ 19-4206-124-80	Оксид алюминия ГОСТ 6912-79
Расход рабочих газов, м^3/ч	Ацетилен	1,3	1,3	1,55
Кислород	1,43	1,5	2,55
Азот	0,9	1,0	-
Быстострельность, выстрел/сек
Толщина слоя покрытия за 1 цикл, мкм	5-7	4-6	5-7
Дистанция напыления, мм
Время подачи порошка, мс
Время задержки поджога после окончания подачи порошка, мс	60-65	30-40
Характеристика покрытия, пористость, % не больше	0,5	1,0	2,0
Микротвердость, МПа		8000-10000
Прочность сцепления с основой, МПа		60-80	25-30

Для детонационного напыления используют порошки диаметром 10-50 мкм.На протяжении одного цикла на поверхность переносится до 39-40 мг распыляемого материала.

Дистанция напыления . Производительность напыления составляет . При напылении покрытий из порошков ВК15 и ВК18С на хромоникелевую сталь прочность сцепления покрытий зависит от относительного перемещения ствола пушки относительно изделия, и при скорости 35 мм/с может достигать 100 МПа.

Пример маршрутно-операционного технологического процесса изготовления клапана ДВС в котором на ножку наносится износоустойчивое покрытие, а на тарелку клапана - теплозащитное покрытие, приведено в приложении А.

Технологическими параметрами, которые определяют процесс электродугового напыления являются:

· ток дуги ,

· напряжение на дуге ,

· диаметр проволоки и его материал,

· скорость подачи провода ,

· расход транспортирующего газа (воздух) ,

· дистанция напыления ,

· скорость перемещения металлизатора относительно изделия или ,

· число оборотов цилиндрической детали ,

· угол пересечения электродов .

Диаметр проволоки, которая распыляется определяется в зависимости от технических характеристик металлизатора, что используется для напыления и с учетом стандартной номенклатуры диаметров проволоки.

Основные технические характеристики электродуговых металлизаторов приведены в табл. 27, а стандартные диаметры проволоки в табл. 28.

Для выбранного диаметра проволоки , используя сведения о рекомендуемой для разных материалов плотности тока, которая используется при электродуговой металлизации и приведена в табл. 29, определяем необходимую силу тока:

где: плотность тока .

 

Таблица 27 - Основные технические характеристики электродуговых

металлизаторов