Напыление материалов: определение и виды, способы и оборудование, упрочняющая обработка покрытий.

Сущность напыления. Напыление как процесс нанесения покрытий заключается в нагреве материала, его диспергировании (дроблении), пере­носе движущейся средой, ударе о восстанавливаемую поверхность или по­крытие, деформировании и закреплении.

Напыляемый материал нагревается за счет теплообмена с высоко­температурной средой (продуктами горения, электрической дугой, плаз­мой) или прохождения вихревых токов. В ряде случаев материал дробится за счет своего плавления. Частицы его разгоняются и переносятся струей движущегося газа, достигают поверхности детали в пластическом состоя­нии, имея большой запас кинетической и тепловой энергии, ударяются о поверхность, деформируются и закрепляются на ней, расходуя накоплен­ную энергию

Восстанавливаемая поверхность во время напыления находится в твердом состоянии, температура ее достигает только 150...200 оС, поэтому деформация детали практически отсутствует.

Нагрев материала и его пребывание в ряде случаев в окислительной воздушной среде или в продуктах сгорания приводят к изменению хими­ческого состава и структуры материала покрытия. Оксидные пленки между покрытием и основой, слоями покрытия и отдельными частицами препят­ствуют образованию прочных связей между этими фрагментами. Пласти­ческое деформирование частиц при ударах о подложку и между собой придает им расплющенную форму, обеспечивает наклеп материала, изме­нение текстуры и частичное разрушение оксидной пленки. Микрострукту­ра напыленного покрытия выявляет его слоистое строение с оксидными пленками между соединенными частицами. Существует переходная зона между покрытием и основным металлом.

В качестве материалов для напыления покрытий используют прово­локу, порошки или шнуры из различных материалов. Оптимальная толщи­на покрытий составляет 0,1... 1,0 мм.

В зависимости от вида источника тепловой энергии, затрачиваемой на нагрев и дробления напыляемого материала, различают основные виды напыления: электродуговое, газопламенное, детонационное и плазменное.

Напыление применяют для восстановления, упрочнения и коррози­онной защиты поверхностей деталей.

Напыление материала - производительный и сравнительно простой процесс, обеспечивающий высокую износостойкость покрытий, возмож­ность регулирования в широких пределах их химического и фазового со­става. Возможно нанесение покрытий практически любой толщины из ме­таллов и их сплавов, оксидов, карбидов, нитридов и пластмасс и на раз­личные материалы (в том числе на неметаллы). Напыление не снижает ус­талостную прочность деталей.

Недостатки процесса: сложность подготовки поверхности к нанесе­нию покрытия; невысокая адгезионная и когезионная прочность покрытий по сравнению с прочностью монолитного материала, повышенное выгора­ние легирующих элементов и потери материала; выделение аэрозолей на­пыляемого материала и вредных газов, повышенный уровень шума, нали­чие электромагнитных и ультрафиолетовых излучений.

Электродуговое напыление. Сущность его состоит в плавлении ме­таллических проволок электрической дугой, зажженной между ними, про­дувании через электрическую дугу струи сжатого газа, сдувании расплав­ленного металла и переносе его в виде частиц на восстанавливаемую по­верхность.

Преимущества электродугового напыления: процесс имеет наиболь­шую производительность (до 50 кг/ч) их всех видов напыления; высокий термический кпд; возможность получения покрытий с высокой адгезион­ной и когезионной прочностью и низкой пористостью. Затраты на нанесе­ние 1 кг покрытия в два раза ниже, чем при электродуговой наплавке.

Сжатый воздух

Недостатки процесса сводятся к следующему. Интенсивное взаимо­действие частиц с газовой средой приводит к насыщению покрытия кисло­родом и азотом, а также к повышенному содержанию оксидов. Необходи­мость применения только токопроводящих напыляемых материалов огра­ничивает возможность способа. Значительное выгорание легирующих эле­ментов, содержащихся в стальных проволоках, при электродуговом напылении сужает область его применения.

Рис. 2.24. Схема аппарата для электродугового напыления:1 - ролики подающие; 2 - проволока; 3 - провода электрические;4 - направляющие; 5 - сопло; 6 - заготовка

Применяют ручное и механизированное напыление. В первом случае технологические перемещения аппарата производят вручную. Механизи­рованные установки имеют устройства для перемещения распылителей от­носительно напыляемой поверхности.

Частицы металла будущего покрытия при электродуговом напыле­нии могут быть защищены от кислорода и азота воздуха стенкой продук­тов сгорания газообразного или жидкого топлива или вдуванием пропана или природного газа, или паров бензина в зону горения дуги. Жидкий ме­талл в последнем случае распыляют не струей сжатого воздуха, а продук­тами сгорания, разогретыми до температуры 1800...2100 оС.

Активированное электродуговое напыление заключается в распыле­нии металла и его защите от влияния воздуха продуктами сгорания угле­водородного топлива. Этот вид напыления целесообразно применять при восстановлении деталей, работающих в условиях граничной смазки. При­меняют проволочные материалы - Нп-65Г, Нп-40Х13, Св-08Г2С. Повыше­ние твердости покрытия является следствием науглероживания материала.

Газопламенное напыление. Сущность заключается в нагреве напы­ляемого материала газовым пламенем и нанесении его на восстанавливае­мую поверхность струей сжатого газа. В качестве основного материала применяют порошки, проволоки и шнуры. Газопламенное напыление -один из немногих процессов, с помощью которого наносят покрытия из шнуров.

В зависимости от наличия и времени оплавления покрытий различа­ют три вида газопламенного напыления: без оплавления, с одновременным оплавлением (в литературе называют газопорошковой наплавкой) и с по­следующим оплавлением.

Первый вид напыления применяют для восстановления деталей, не испытывающих деформаций и знакопеременных нагрузок, рабочая темпе­ратура которых < 350 оС. Способ применяют при восстановлении наруж­ных и внутренних цилиндрических поверхностей подвижных и неподвиж­ных соединений при невысоких требованиях к прочности соединения с ос­новным материалом.

Газопламенное напыление с одновременным оплавлением покрытия применяют для восстановления деталей из стали и чугуна при износе на сторону 1,3... 1,8 мм.

Последующее оплавление покрытий толщиной 0,5... 1,3 мм выпол­няют газо-кислородным пламенем, в индукторе или другим источником тепла. Процесс применяют при восстановлении наружных и внутренних цилиндрических поверхностей подвижных и неподвижных соединений при повышенных требованиях к износостойкости и прочности соединения с основным материалом.

Активирование газопламенного напыления обеспечивают интенсив­ным смешением рабочих газов, а также эффективным теплообменом меж­ду пламенем и материалом.

Для газопламенного напыления выпускается много образцов горелок и оборудования. По мощности пламени газовые горелки подразделяются на: очень малой (до 60 л/ч), малой (от 60 до 700 л/ч), средней (от 700 до 2500 л/ч) и большой мощности (свыше 2500 л/ч), а по степени механиза­ции - на ручные и машинные. В зависимости от способа подачи горючего газа горелки делят на инжекторные и безинжекторные.

Применение электродугового и газопламенного напыления прово­лочными материалами эффективно для деталей (коленчатых валов, осей, вкладышей подшипников скольжения, направляющих), работающих в трущихся сопряжениях, и при восстановлении поверхностей отверстий под подшипники.

Плазменное напыление. Основано на использовании энергии плаз­менной струи как для нагрева, так и для переноса частиц металла. Плаз­менную струю получают путем продувания плазмообразующего газа сквозь электрическую дугу и его обжатия стенками медного водоохлаждаемого сопла. В качестве плазмообразующих газов используют аргон, ге­лий, азот, водород и их смеси.

Микроплазменное напыление применяют при восстановлении участ­ков деталей с размерами 5... 10 мм с целью уменьшения потерь напыляемого материала. Используют плазмотроны малой мощности (до 2...2,5 кВт), гене­рирующие квазиламинарную плазменную струю при силе тока 10...60 А.

Детонационное напыление. При этом виде напыления наносимые частицы приобретают энергию во время горения и перемещения ацетилено-кислородной смеси в стволе пушки. Детонация - особый вид горения газообразного топлива. Она возникает в начальный период горения смеси и распространяется в трубе со скоростью 2000...3000 м/с. Температура го­рения смеси при детонационном напылении достигает 5200 оС, а развивае­мое давление - сотен МПа. Упрочняющая обработка покрытий:

Упрочнение напыленных покрытий включает механическую, терми­ческую и комбинированную обработку.

Высокотемпературное уплотнение покрытий заключается в прило­жении давления в процессе локального нагрева. Такое уплотнение позво­ляет назначать меньшие припуски под механическую обработку покрытий. Увеличение усилия обработки и температуры подогрева положительно влияют на структуру покрытия: трещины и поры уменьшаются или исче­зают вообще.

Химико-термическая обработка покрытий (спекание) заключается в том, что детали с покрытиями помещают в печь с атмосферой, содержащей И2 и C, и выдерживают при заданной температуре.

В основе химико-термической обработки покрытий лежит восста­новление оксидов и последующая карбидизация покрытий в контролируе­мой газовой атмосфере. В результате обработки полностью восстановливаются оксиды, исчезает слоистость и повышается содержание цементита. Введение в напыляемые железные порошки карбидообразующих материа­лов (Cr) повышает твердость и износостойкость покрытий.

13 Электроискровая обработка: сущность, материалы и оборудование .

Сущность процесса. Электроискровая обработка металлических поверхностей основана на использовании импульсных электрических раз­рядов между электродами в газовой или жидкой среде. Сущность нанесе­ния покрытий и упрочнения поверхностей состоит в том, что в газовом промежутке между металлическими электродами происходит разрушение материала анода, а продукты эрозии переносятся на катод (заготовку). По­верхность катода также разрушается, но в меньшей степени.

Плотность мощности, передаваемой детали при искровом разряде, составляет 5-10...8-10 кВт/см2. Единичный перенос электродного мате­риала происходит при температуре среды 5000... 11000 К. Температура Т плазмы, образующейся в межэлектродном пространстве, приближенно рассчитывается по формуле:

Т = 7200 + 450 С^1/3, К, (2.19)

где С - емкость накопительных конденсаторов, мкФ.

Плотность тока достигает значения 104 А/мм2. Высокая температура в канале разряда вызывает плавление фрагментов электрода и их частич­ное испарение. Пары металла расширяются, сбрасывают с поверхности анода расплавленный металл, который попадает в газовую среду или осаждается на катоде и затвердевает. Металл при этом не подвергается коррозии.

Вследствие кратковременности разряда (до 10 мкс) и локальности нагрева микрообъемы переносимого металла на деталь быстро охлаждают­ся. При определенных режимах обработки происходит сверхскоростная за­калка поверхностного слоя до высокой твердости. При многократном воз­действии искровых импульсов на поверхности детали формируется покры­тие со свойствами, близкими к свойствам материала электрода. Толщина покрытия увеличивается с ростом содержания углерода в материале детали и энергии единичного импульса.

Производительность процесса и качество обработанной поверхности зависят как от эрозионной стойкости материалов и инструмента, так и от режима обработки.

При электроискровой обработке происходят: диффузия нанесенного материала в расплав металла восстанавливаемого элемента детали в месте разряда; образование твердых растворов и мелкодисперсных карбидов в результате быстрого затвердевания жидкой фазы и локальной закалки с большими скоростями охлаждения.

Нанесение твердых износостойких покрытий толщиной до 0,1 мм относят к упрочнению, а нанесение покрытий большей толщины - к на­плавке. При восстановлении поверхностей, участвующих в трении, можно наносить покрытия толщиной до 0,25 мм, а поверхностей неподвижных соединений - до 1,5 мм. При упрочнении режущих кромок инструмента наносят покрытия толщиной до 0,1 мм.

Покрытие, нанесенное на восстанавливаемую поверхность детали, имеет прочную связь с основой, потому что его образование сопровожда­ется химическими и диффузионными процессами.

Применение электроискровой обработки. При рациональном вы­боре материала анода на поверхности упрочняемой (восстанавливаемой) детали образуется слой высокой твердости и износостойкости. Электроис­кровой обработкой можно восстанавливать изношенные детали, изменять свойства их поверхностного слоя, упрочнять режущие кромки инструмента (резцов, фрез, штампов и др.) путем нанесения твердых сплавов, антикор­розионных, жаростойких, фрикционных и антифрикционных материалов.

Способ применяют для восстановления шеек валов и осей, поверх­ностей отверстий под подшипники с износом до 0,2 мм с невысокими тре­бованиям к сплошности покрытия, для упрочнения взамен термообработки трущихся поверхностей. Стойкость режущей части инструмента в резуль­тате упрочнения увеличивается в 2 раза. Износостойкость деталей после электроэрозионного упрочнения повышается в 3...8 раз. Способ получил распространение при восстановлении деталей топливной аппаратуры дизе­лей и золотников, изготовленных из стали 15Х и имеющих твердость 56...63HRC.

Электроискровая обработка в ряде случаев при восстановлении из­ношенных поверхностей подшипниковых узлов является финишной опе­рацией, не требующей дополнительной механической обработки.

Материалы. Для электроэрозионного упрочнения применяют мате­риалы (электроды): металлокерамические твердые сплавы ВК6-ОМ, ВК-8, Т15К6, ТТ15К10-ОМ, Т30К4, Т60К4, ТН-20 круглого и прямоугольного сечения; медную проволоку; бронзу БрАЖ10-3, БрАЖМц10-3-1,5, БрАЖН10-4-4 и др.; специальные электродные материалы из бронзы ВБр5М, ДКВ - аналог рэлита, АОМ (алюминиево-оловянисто-медный сплав), сплавы ВЖЛ-2, ВЖЛ-2М, ВЖЛ-13, ВЖЛ-17, В56, ЖСН-Л; стали 65Г, 20Х13, 95Х18, ШХ-15 и др. Применяют также сормайт, стеллит и вольфрам.

Для обеспечения требуемых эксплуатационных свойств восстанов­ленных поверхностей можно наносить покрытие в несколько слоев из раз­личных материалов. Например, на стальную или чугунную поверхность поршневого кольца наносят молибден, на него медь, а затем олово.

Оборудование. Покрытия наносят конденсаторными установками с электромагнитыми вибраторами контактным способом в газовой среде. На­пряжение в момент разряда конденсаторов достигает 100.. 150 В. Наибольшее распространение получили установки группы ЭФИ-46А, -23М, -25М, -54А.

Имеется семь классов модернизированных мобильных установок ти­па "Элитрон" и два класса "Вестрон", с помощью которых можно наносить покрытия толщиной до 0,4 мм (сплошностью 60...95 %) и толщиной 0,4... 1,0 мм (сплошностью 25... 60 %).

Созданы модернизированные установки "Вестрон-005" и "Вестрон-006". Сущность модернизации заключалась в совмещении в одной установке транзисторно-тиристорного и резисторно-емкостного генераторов, осна­щении новыми вибровозбудителями с вращающимися электродами и по­вышении частоты импульсов тока со 100 до 800 Гц. Повышение энергии разряда одного импульса тока до 7,5 Дж не приводит к увеличению тол­щины покрытия. Установки "Вестрон" позволяют наносить покрытия тол­щиной до 300 мкм с пористостью менее 80 %.

Технологические перемещения инструмента выполняют как вруч­ную, так и с применением средств механизации. В обоих случаях переме­щение электрода, продолжительность обработки, режимы по току, ампли­туде и частоте вибрации электрода выбирают так, чтобы покрытие было сплошным, равномерным и имело ровную, отражающую свет поверхность.

 

14 Использование дополнительных ремонтных деталей (ДРД): характеристика и виды способа. Механическое закрепление ДРД. Закрепление ДРД пайкой и клеем. Вставки.

Дополнительные ремонтные детали (ДРД) - это заготовки, которые по форме и размерам соответствуют изношенному слою или поврежден­ному (отломанному) элементу детали.

ДРД применяют для компенсации износа поверхностей деталей или замены их поврежденных частей. В первом случае ДРД устанавливают и закрепляют непосредственно на изношенной поверхности. Во втором слу­чае ими заменяют часть детали с поврежденными элементами.

С помощью ДРД восстанавливают многие детали, в том числе кор­пусные, гильзы и валы. Восстанавливают отверстия под подшипники ка­чения в корпусных деталях, отверстия с изношенной резьбой, рабочую по­верхность цилиндров, шейки валов и другие элементы.

В зависимости от вида восстанавливаемой поверхности ДРД имеют вид гильзы, кольца, резьбовой втулки, спирали и др. ДРД обычно изготав­ливают из того материала, из которого изготовлена сама восстанавливае­мая деталь.

Восстановление деталей способом ДРД применяют в различ­ных ремонтных производствах при разных объемах выпуска. Стоимость материалов при этом в несколько раз ниже, чем материалов, применяемых при наплавке и напылении.

Процессы создания ремонтных заготовок с применением ДРД клас­сифицируют в зависимости от способа их закрепления. ДРД крепят на вос­станавливаемых поверхностях натягом, деформированием материала, сваркой, клеем, пайкой, заклепками, силами упругости и упорами, винта­ми, штифтами и резьбой, выполненной на теле детали.

Механическое закрепление дополнительных ремонтных деталей

Широкое распространение получило закрепление цилиндрических ДРД в виде втулок на шейках валов или в отверстиях корпусов за счет на­тяга. Шероховатость сопрягаемых поверхностей при этом должна быть не более R_a = 1,25...0,32 мкм.

Для надежного соединения ДРД с основной деталью их просверли­вают, отверстие разворачивают или в нем нарезают резьбу. В отверстие ус­танавливают штифт или резьбовой стопор.Свертные втулки из низкоуглеродистой конструкционной стали мо­гут быть закреплены в восстанавливаемом отверстии путем их раскатывания. В этом случае свертные втулки изготавливают из отожженной рулон­ной ленты толщиной 0,8 мм.

Закрепление ДРД на поверхности шеек силами упругости и упорами не искажает размеры детали и исключает термическое влияние на ее мате­риал. Суть способа заключается в следующем. Из шлифованной и полиро­ванной полосы из инструментальной или пружинной стали толщиной 0,4 мм вырубают в штампе заготовку ДРД и пробивают круглые и фигурные от­верстия. Круглые отверстия необходимы в будущей детали для прохожде­ния масла, а фигурные - для формирования лепестков. Длина ДРД соот­ветствует длине окружности восстанавливаемой шейки. Затем заготовку ДРД сворачивают в кольцо с использованием специальной оснастки и от­гибают лепестки. Диаметр свернутой ленты меньше диаметра восстанав­ливаемой шейки. На поверхности шейки фрезеруют углубления. ДРД в ви­де браслета надевают на шейку вала таким образом, чтобы лепестки ДРД вошли во фрезерованные углубления (рис. 2.29.). Силы упругости застав­ляют ДРД копировать форму шейки, а лепестки, взаимодействующие с торцами углубления, фиксируют ДРД от проворачивания. Лента, изготов­ленная на специализированном заводе, имеет точную равномерную тол­щину и шероховатость, соответствующую шероховатости обработанной шейки.

Рис. 2.29.Схема установки упругой ДРД на шейку вала

 

ДРД, имеющие форму дисков или пластин, можно закреплять на ос­новной детали с помощью заклепок или винтов с потайной головкой, при этом толщину диска или пластины следует принимать не менее 4 мм.