Нанесение покрытий напылением

Введение

Постоянная необеспеченность ремонтного производства запасными частями является серьезным фактором снижения технической готовности автомобильного парка. Расширение их производства, новых запасных частей связано с увеличением материальных и трудовых затрат. Около 75% деталей выброшенных при первом капитальном ремонте автомобилей, являются ремонтно-пригодными, либо могут быть использованы вообще без восстановления. Поэтому целесообразной альтернативой расширению производства запасных частей являются вторичное использование изношенных деталей, восстанавливаемых в процессе ремонта автомобиля и его агрегатов.

Иногда, по ряду причин, подшипники выходят из строя раньше времени. Это происходит вследствие множества причин. Например, не предполагаемо высокая нагрузка, недостаточное смазывание или неподходящий смазочный материал, неправильный монтаж подшипника, недостаточная эффективность уплотнений, посадка подшипника с чрезмерным натягом и, соответственно, недостаточный внутренний зазор или чрезмерный внутренний натяг подшипника. Каждая такая ситуация порождает специфическое повреждение подшипника, которое находит отражение в характерной картине повреждения. Следовательно, в большинстве случаев становится возможным, при исследовании повреждённого подшипника, установить причину повреждения и принять соответствующие меры, для того чтобы избежать повторного повреждения подшипника после возобновления работы машины.

После выяснения причины внеплановой остановки оборудования встает вопрос о замене подшипника. Здесь есть два пути: приобретение нового, и восстановление старого. Производство крупногабаритных подшипников сейчас составляет более 12 месяцев у различных подшипниковых производителей. Сроки по восстановлению занимают от 30 до 45 дней. Кроме того, экономия средств, при восстановлении составляет более 20% от стоимости нового подшипника.

Восстановление — это доведение эксплуатационного ресурса подшипника до расчетно-максимального при конкретных условиях эксплуатации. В рамках этого процесса могут быть изменены некоторые технические характеристики, например: радиальный зазор, а также возможно использование новых деталей подшипника.

Подробный анализ неисправностей с использованием компьютерных технологий дает необходимые данные для усовершенствования, как самого подшипника, так и узла вращения в целом.

Выбор технологии восстановления зависит от степени повреждений, условий применения и эксплуатационного опыта заказчика. Профессиональное восстановление уменьшает риск внеплановых простоев оборудования.

Из ремонтной практики известно, что большинство выбракованных по износу деталей теряют не более 1−2% исходной массы, при этом прочность деталей практически сохраняется.

С позиции воспроизводства машин экономическая целесообразность ремонта обусловлена возможностью повторного использования большинства деталей как годных, так и предельно изношенных после восстановления. Это позволяет осуществить ремонт в более короткие сроки с меньшими затратами металла по сравнению с затратами при изготовлении новых деталей.

Высокое качество отремонтированных автомобилей и агрегатов предъявляет повышение требования к ресурсу восстановленных деталей. Известно, что в автомобилях и агрегатах после капитального ремонта детали работают, как правило, в значительно худших условиях, чем в новых, что связано с изменением базисных размеров, смещением осей в корпусных деталях, изменение условий задачи смазки и пр. В этой связи технология восстановления деталей должна базироваться на таких способах нанесения покрытий и последующей обработки, которые позволили бы не только сохранить, но и увеличить ресурс отремонтированных деталей.

Целью работы является усовершенствование технологии нанесения порошковых композиционных материалов на внутреннюю поверхность цилиндрических деталей.

Для выполнения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

? Провести анализ методов нанесения покрытий на поверхность изделий.

? Изучить возможность применения методов напрессовки порошкового слоя для восстановления внутренней поверхности втулки.

? Обосновать выбор материала порошкового слоя.

? Провести экспериментальные исследования по прессованию и спеканию исследуемых образцов по различным режимам.

? Дать технологические рекомендации по восстановлению исследуемых деталей методом напрессовки порошкового слоя.

? Изучить возможность применения разработанной технологии для получения изделий различного функционального назначения.

ГЛАВА 1. Литературный обзор

1.1 Основные методы нанесения покрытий Использование износостойких, коррозионностойких, жаростойких, химически стойких, электроизоляционных, теплоизоляционных и других видов покрытий позволяет резко сократить потери металлов, расход ресурсов на их возмещение и дает возможность повысить качество, надежность и долговечность машин, оборудования и сооружений. Повышение технического уровня и качества машин — важнейший резерв роста производительности труда, экономии всех видов ресурсов и основа научнотехнического прогресса.

Для придания поверхностям широкого диапазона свойств, удовлетворяющих различным эксплуатационным требованиям изделий, применяется множество способов создания покрытий. Рассмотрим некоторые из них:

Плакирование. Покрытие создается совместным пластическим деформированием материала изделия и наносимого слоя (рис. 1.2, а, стрелкой обозначено давление на металл).

В самом процессе заложены условия получения покрытий с высокой адгезионной и когезионной прочностью и минимальным количеством несплошностей. Такие покрытия могут удовлетворять многим эксплуатационным свойствам и, особенно, коррозионной стойкости в различных средах. Плакированные покрытия достаточно легко получают при производстве полуфабрикатов (листов, лент, прутков и др.). Материал покрытия (плакировки) должен обладать высокой пластичностью. В технической литературе этот процесс описан применительно, главным образом, к плакированию листовых полуфабрикатов.

Нанесение порошковых покрытий. Формирование покрытий осуществляется нанесением на рабочие поверхности изделий порошковых материалов с последующим их упрочнением (рис. 1.2, а, е). При этом используется свободная засыпка порошка и различные способы его предварительного закрепления. Удержание порошка при свободной засыпке обеспечивается формирующими канавками или специальными устройствами. Для закрепления порошковых материалов на поверхностях изделий используют связующие вещества, например, типа шликеров при эмалировании.

Упрочнение сформированного порошкового слоя производится: высокотемпературным спеканием, сплавлением (см. рис. 1.2, д), применением взрывной технологии, электромагнитным воздействием, электроконтактным привариванием (см. рис. 1.2, е) и др.

Погружение в расплавленные среды. Наибольшее распространение для нанесения покрытий получило погружение изделий в металлические и солевые расплавы (рис. 2, б, стрелкой обозначено перемещение обрабатываемого материала). Покрытия из многих металлов (главным образом, легкоплавких, таких как Sn, Zn, AI и др.) наносят с помощью погружения изделия в металлические расплавы. Погружением в солевые расплавы нанесение покрытий осуществляется за счет протекания обменных реакций между расплавом и поверхностью обрабатываемого изделия. Например, для нанесения хрома на стальные изделия используется реакция:

CrCl2 + Fe = FeCl2 + Cr.

В расплавленных солях легко осуществляется процесс борирования и силицирования поверхностей. Метод погружения широко используется для нанесения эмалевых покрытий. Изделия погружают в водную среду с взвешенными частицами фритты и других добавок, называемых шликерами. Последующий высокотемпературный отжиг (700°С и более) определяет свойства эмалевых покрытий. Этот метод известен в промышленности как шликерно-обжиговая технология нанесения покрытий.

Наплавка. Сущность процесса заключается в получении поверхностных слоев нанесением расплавленного присадочного металла методами сварки плавлением (рис. 1. 2, в, г). При этом поверхность наплавляемого изделия доводится или до расплавления или до температуры активного смачивания присадочным металлом. Особенно широко применяется дуговая наплавка (рис. 1.2, в, стрелкой показано перемещение дуги) покрытыми электродами, порошковой проволокой, в среде защитных газов, под флюсом и др. Известны способы газопламенной (рис. 1.2, г, стрелками показано перемещение горелки и присадочного материала) и электрошлаковой наплавки. Металл слоя может быть закреплен на поверхности и без его расплавления. Для этого применяют способы соединения в пластическом состоянии, например, электроконтактную приварку. К наплавке следует отнести локальное электроискровое нанесение покрытий. При искровом разряде в газовой среде происходит преимущественное разрушение электрода — анода и перенос продуктов эрозии на поверхность изделия — катода.

Наплавка в основном применяется для восстановления изношенных изделий и реже для создания поверхностей другого назначения. Хорошо отработанная технология наплавки позволяет получать высокое качество покрытия. По сравнению с другими способами создания покрытий наплавка обеспечивает высокую прочность слоя с основным металлом. Характерный для многих покрытий показатель качества — адгезионная прочность при наплавке теряет смысл. При затвердевании расплавленного металла рост кристаллитов в слое происходит на базе частично оплавленных зерен основного металла. К недостаткам наплавки следует отнести высокую температуру нагрева изделий. Кроме того, при наплавке возможно нанесение слоев в основном из металлов и получение тонкослойных наплавок представляет большие трудности. Газотермическое напыление. Покрытия формируются из направленного потока дисперсных частиц со средним размером 10 — 200 мкм (рис. 1.2, ж, стрелкой показано перемещение потока).

Для образования прочных связей между частицами в покрытии необходимо обеспечить достаточный уровень активизации при их контактировании с поверхностью напыления. Это достигается высоким нагревом и ускорением частиц в процессе переноса. В зависимости от источника теплоты и движущих сил переноса различают следующие методы напыления: плазменное, газопламенное, детонационно-газовое, дуговая металлизация и высокочастотная металлизация.

Рис. 1.2. Методы нанесения покрытий

I — материал покрытия; II — изделие В первых трех методах источник нагрева совмещен с источником распыления и ускорения частиц. При дуговой и высокочастотной металлизации источники нагрева и ускорения разделены. Для создания потока частиц используют либо порошки, либо проволоку (стержни). При использовании проволоки поток частиц образуется посредством расплавления проволоки и ее распыления скоростным потоком автономного газа или самим источником теплоты (плазменной, газопламенной струей, скоростным потоком продуктов взрыва).

Вакуумное конденсационное напыление (осаждение). Покрытие формируется из потока частиц, находящихся в атомарном, молекулярном или их ионизированном состоянии. Обобщенная схема процесса показана на рис. 1.2,з. Для получения потока пара (частиц) используют различные источники энергетического воздействия на материал. Различают формирование потока частиц посредством термического испарения материала, ионным распылением или взрывным испарением — распылением. Соответственно этому вакуумное конденсационное напыление разделяют на методы. При ионизации потока напыляемых частиц реализуется способ ионно-плазменного напыления, а при введении в поток реактивного газа — вакуумное конденсационное напыление. Возможности методов вакуумного конденсационного напыления позволяют получать покрытия толщиной от десятков нанометров до сотен микрометров из различных материалов с высоким качеством. Несмотря на существенные различия процессов газотермического и вакуумного конденсационного напыления покрытий (рис. 1. 2, ж, з) в их технологии просматриваются и общие элементы. Например, подготовка напыляемой поверхности; получение равномерных по толщине покрытий; последующая обработка напыленных изделий и др. Анализируя схемы газотермического и вакуумного конденсационного напыления, можно выделить одинаковые параметры процесса. В первом приближении это дистанции напыления, конус распыления, температура нагрева напыляемого изделия, физико-химические свойства исходной поверхности, некоторые параметры потока напыляемых частиц.

Газофазное осаждение. Нанесение покрытий осуществляется из газовой фазы в замкнутом объеме (камере) посредством диссоциации соединений при их нагреве и осаждении одного или нескольких элементов соединения на поверхность изделия. Для разложений в реакционной камере используют многие термически нестойкие соединения: карбонильные, гаплоидные, металлоорганические, гидридные и др. Процесс проводят как при нормальном давлении в камере, так и при разрежении. При низком давлении обеспечивается высокая степень чистоты, равномерность слоя и, как следствие, получение покрытий высокого качества для протекания гетерогенной реакции на поверхности изделий осуществляют их нагрев, достигающий нескольких сотен градусов. Обобщенная схема процесса показана на рис. 1.2, и.

Электролитическое осаждение. Нанесение покрытий осуществляется в ваннах с электролитом. Часто такие покрытия называют электролитическими или гальваническими. Наибольшее распространение получили электролитические покрытия из металлов: никелирование, хромирование, цинкование и др. Наряду с этим применяется и электроосаждение сплавов. Покрытие формируется из положительно заряженных ионов металла. В качестве электролита обычно применяют раствор соли осаждаемого материала. Роль катода выполняет покрываемое изделие; анод — пластины из осаждаемого материала (рис. 1.2, к). К разновидности электролитического осаждения может быть отнесен процесс получения композиционных покрытий (КЭП) из электролитов — суспензий. Такое покрытие формируется из высокодисперсных порошковых частиц (неорганических и органических) размером 0,1−10 мкм и катионов металла. Известны электрофоретические покрытия, формирующиеся на изделии — катоде за счет направленного движения коллоидных частиц или макроинов под действием внешнего электрического поля. Для нанесения покрытий электрохимическим осаждением используют также различные способы оксидирования (анодирование, хроматная пассивация и др.). Обрабатываемое изделие в электролите является анодом.

Химическое осаждение. Часто этот метод нанесения покрытий называют химической металлизацией в растворах. Металлические покрытия получают восстановлением ионов металлов (Сu, Ni, Co и др.) в водных растворах с помощью растворенного восстановителя. Для получения никелевых покрытий в качестве восстановителя часто используют гипофосфит, гидразин и другие соединения. При восстановлении гипофосфитом натрия протекает следующая реакция:

NiCl2 + NaHP02 + Н2О = Ni + НРО3 + 2HCl.

Различная природа процессов при модифицировании и нанесении покрытий затрудняет их рассмотрение с единых позиций и выделение общих закономерностей. По технологическим особенностям ведения процесса, формированию направленного потока частиц в газовой фазе (плотной или разреженной), технике нанесения наиболее близки методы газотермического и вакуумного конденсационного нанесения покрытий. Они и положены в основу при изложении технологии нанесения покрытий.

Классификация методов газотермического напыления Схема процесса газотермического напыления показана на рис. 1.3.

Распыляемый материал в виде порошка, проволоки (шнуров) или стержней подается в зону нагрева. Различают радиальную и осевую подачу материала. Нагретые частицы распыляют газом, основное назначение которого — ускорение напыляемых частиц в осевом направлении. При подаче в зону нагрева проволоки или стержней распыляющий газ диспергирует расплавленный материал, а в ряде методов напыления он выполняет и функцию нагрева.

Нагрев частиц, их распыление и ускорение газовым потоком предопределили название процесса — газотермическое напыление. Частицы, поступающие на поверхность формирования покрытия, должны обеспечивать образование прочных межатомных связей в процессе контактирования, для чего необходим их нагрев и соответствующая скорость.

Рис. 1. 3. Схема процесса газотермического напыления покрытий. (? — угол расхождения потока;? — угол встречи потока с поверхностью напыления; dп. н — диаметр пятна напыления; tи — температура напыляемого изделия; lперекрытие проходов; L — дистанция напыления; Lн — начальный участок; L0 — основной участок струи): 1 — сопловая часть генератора частиц; 2 — двухфазная струя; 3 — покрытие; 4 — элемент поверхности напыления Методы газотермического напыления классифицируют по видам энергии, источника теплоты, распыляемого материала, защиты, по степени механизации и автоматизации, по периодичности потока частиц. По виду энергии различают методы с использованием электрической энергии (газоэлектрические методы) и методы, в которых тепловая энергия образуется за счет сгорания горючих газов (газопламенные методы). Для нагрева распыляемого материала используют следующие виды источника теплоты: дугу, плазму, высокочастотные разряды и газовое пламя. Соответственно этому методы напыления называют: электродуговая металлизация, плазменное напыление, высокочастотная металлизация, газопламенное напыление, детонационно — газовое напыление. Первые три метода относятся к газоэлектрическим, последние — к газопламенным. По виду распыляемого материала применяют порошковые, проволочные (стержневые) и комбинированные способы напыления. При комбинированных способах используется порошковая проволока. Известны следующие методы напыления по виду защиты: без защиты процесса, с местной защитой и с общей защитой в герметичных камерах. При общей защите различают ведение процесса при нормальном (атмосферном) давлении, повышенном и при разрежении (в низком вакууме). Степень механизации и автоматизации процесса. При ручных способах напыления механизирована только подача распыляемого материала. В механизированных способах предусмотрено также перемещение распылителя относительно напыляемого изделия. Часто используют движение напыляемых изделий относительно неподвижного распылителя. Периодичность потока. Большинство методов напыления осуществляется непрерывным потоком частиц. Для некоторых методов возможно только циклическое ведение процесса. Газотермические методы напыления используются для нанесения покрытий различного назначения. К основным достоинствам методов относят высокую производительность при удовлетворительном качестве покрытий. 5]

Высокотемпературное спекание применяют в том случае, если температура плавления материала изделия существенно выше температуры спекания. Это условие ограничивает применение способа. Возможности упрочнения существенно расширяются с использованием процесса жидкофазного спекания или пропитки порошкового каркаса в слое.

Оплавление порошковна поверхности изделий достаточно распространенный метод создания покрытий. И в этом случае температура плавления порошковой композиции должна быть значительно ниже материала изделия. В качестве примера может служить упрочнение поверхностей стальных изделий порошковыми сплавами типа коломной, стеллитов и сормайтов с применением индукционного нагрева.

Упрочнение порошковых слоев с применением взрывной технологии при помощи конденсированных взрывчатых веществ особенно перспективно. В процессе ударного нагружения удается деформировать и нагревать порошковые частицы вплоть до температуры их плавления. Происходит одновременное упрочнение всего порошкового слоя с формированием прочных связей между частицами и на границе раздела. При упрочнении взрывом создаются благоприятные условия для синтезирования различных соединений и метастабильных фаз.

Упрочнение порошковых слоев при создании покрытий электромагнитным воздействием основано на использовании давления магнитного поля. Метод широкого распространения не получил. Предложены и исследованы магнитно-импульсные способы упрочнения по двум схемам:

1) воздействие на порошковый слой через элемент, воспринимающий давление импульсного магнитного поля и

2) воздействие непосредственно на сформированный и закрепленный на поверхности изделия слой порошка.

— Плазменно-дуговое напылениеПлазменно-дуговой способ нанесения покрытий заключается в формировании на поверхности детали слоя частиц порошка, обладающих определенным запасом тепловой и кинетической энергии, полученной в результате взаимодействия со струей дуговой плазмы. Температура плазменной струи достигает 5000−50 000 °С, а скорость истечения 1000−1500 м/с. В плазменной струе частицы порошка расплавляются и приобретают скорость 50−200 м/с.

Преимуществами данного способа являются:

· Возможность получения покрытий из большинства материалов, плавящихся без разложения, без ограничения по температуре плавления;

· Возможность использования для образовании струи дуговой плазмы газов различного рода: инертных (аргона, гелия), восстановительных (водорода), и окислительных (воздуха, азота);

· Высокая производительность процесса: 3−20 кг/ч для плазмотронов с электрической мощностью 40−50 кВт.

В отличие от плазменно-дуговой наплавки при напылении характерна низкая для ряда условий эксплуатации прочность сцепления покрытий с основой (20−50 MПa), высокая пористость получаемых покрытий (3−14%), невысокий коэффициент полезного использования энергии плазменной струи на нагрев порошка (2−8%), высокий уровень шума (110−130 Дб).

— Газопламенное напыление. При газопламенном напылении сущность процесса напыления заключается в том, что материал (в виде проволоки или порошка) подается через металлизатор, при выходе из него расплавляется и под действием струи сжатого воздуха (или газа) распыливается на мельчайшие частицы (0,001…0,1 мм), которые наносятся на изношенную поверхность детали со скоростью 80…200 м/с.

Газопламенное напыление. В настоящие время наибольшее применение в ремонтной практике получили два способа газопламенного напыления. В первом случае газопламенное напыление осуществляется подачей порошкообразного вспомогательного материала в зону пламени с помощью транспортирующего газа (рис 1.4.).

В данном случае, порошок из бункера поступает в горелку, захватывается потоком транспортирующего газа и на выходе из сопла 1 попадает в пламя 2, где он оплавляется и струей горящих газов направляется на напыляемую поверхность. Транспортировка порошка к поверхности детали с помощью газов, а не сжатого воздуха способствует уменьшения окисления расплавленных частиц металла и тем самым оказывает положительное влияние на свойства напыленного слоя.

Рис. 1.4 Схема газопламенного напыления порошкового материала: — ввод порошка с помощью транспортирующего газа; - внешняя подача порошка в факел пламени; 1-сопло горелки; 2-пламя; 3-покрытие; 4-основа детали; 5-подводящая трубка; 6-емкость с порошком Во втором случае процесс газопламенного напыления осуществляется подачей порошка непосредственно в факел пламени под действием силы тяжести. Из бункера по подающей трубке 1 порошок направляется в ацителено-кислородное пламя 2 на срез сопел мундштука 3.

В зоне пламени порошок частично оплавляется и под действием давления газов наносится на изношенную поверхность.

Преимущество ввода порошка по второму способу — простота применяемого оборудования. При этом можно точно регулировать мощность пламени и место ввода порошка и нет необходимости в транспортирующем газе.

Газопламенное напыление позволяет получать нанесенные слои металла с заранее заданными свойствами, которые достигаются применением механических смесей (композиций) с различным химическим составом, используется ацителено-кислородный или пропано-бутановый нагрев.

Определяющую роль в сцеплении порошка с основным металлом играет степень подготовки поверхности перед напылением. Для удаления следов износа применяется механическая обработка без применения охлаждающей жидкости на глубину не более 0,85 мм. Для деталей не подверженных знакопеременным нагрузкам, окончательной операцией подготовки поверхности к напылению является нарезание «рванной резьбы». Для деталей, работающих при знакопеременных нагрузках, шероховатость поверхности перед напылением порошком создается струйной обработкой зерном абразива (корунда). Для струйной обработки напыляемой поверхности применяется 50% смесь (по массе) порошков электрокорунда зернистостью 60…80 и 120…160. Режим обработки: давление воздуха — 0,5…0,6 МПа, угол наклона струи абразива к поверхности 65…70, расстояние от сопла до поверхности детали — 70…90 мм, расход воздуха — 3…5 м3/мин. Расход порошка электрокорунда на 1 дм² обрабатываемой поверхности составляет 1,5 кг.

Одним из методов повышения прочности сцепления покрытия с основным металлом — применение подслоев или слоев сцепления с основанием. Для нанесения подслоя применяют экзотермический порошок из смеси никеля и алюминия, нержавеющую сталь, алюминиевую бронзу и другие. Наиболее перспективным материалом для напыления подслоя — смесь алюминий-никель, содержащая 80…82% Ni и 18…20 Al. Перед нанесением покрытия поверхность нагревают до 150С. При нанесении данной смеси протекает экзотермическая реакция, при которой частицы металла достигают высокой (свыше 1500С) температуры и свариваются или сплавляются с поверхностью детали. Глубина зоны сплавления незначительна и составляет менее 0,1 мм.

Для нанесения основного слоя покрытия применяются самофлюсующие порошки, т. е. способные сохранять в покрытии флюсующие элементы, например ПГ-ХН80СР2 или СНГН. Можно воспользоваться механической смесью порошков, представляющую алюминий-никель 20…50% и самофлюсующийся ПГ-ХН80СР2 — 70…80%. Режим напыления покрытия: давление газов (МПа) О2 — 0,34…0,45; С2Н2 — 0,03…0,5; С2Н6- 0,02; расход газов (м3/ч) О2- 0,8…1,0; С2Н2- 0,6…0,8; С2Н6- 0,2; частота вращения детали — 50…250 об/мин; расстояние до поверхности, мм 150…200; профильная подача — 6…8 мм/об, расход порошка, кг/ч — 2,0…3,5; грануляция порошка, мкм 40…100.

Порошок подслоя алюминий-никель наносится за один проход газопламенной горелки, основной слой наносится за несколько проходов до получения покрытия, имеющего пропуск на механическую обработку. Поверхность покрытия с использованием смесей порошков алюминий-никель и ПГ-ХН80СР2, имеет твердость HRC 39…41, пористость слоя 17…18%, прочность сцепления с основным металлом 150…180 МПа. Для повышения прочности сцепления, уменьшения пористости проводят операцию оплавления. Оплавление проводится сразу же за напылением. Участок, покрытый порошком нагревают до полного распределения всех зерен металла в напыленном слое, в результате чего получают блестящую поверхность. После этой операции прочность сцепления повышается до 450 МПа, пористость уменьшается до 8…10%. Операцию оплавления, наряду с газовой горелкой можно проводить с применением т.в.ч.

Механическая обработка припуска осуществляется при токарной обработке — эльбором — Р (композит 01), или гексанитом — Р (композит 10), для обеспечения точности — шлифованием.

— Плазменное напыление также как сварка и наплавка, основаны на использовании тепловой плазменной дуги. Плазмой называется вещество, нагретое до такой температуры, когда поры находятся в сильно ионизированном состоянии. Устройство, в котором получают плазменную струю, называют плазменной горелкой, или плазмотроном. Для образования плазмы источником тепла в них служит электрическая дуга.

Плазмотрон (рис 1.5) состоит из цилиндрического корпуса, в который вмонтирован медный электрод с неплавящимся вольфрамовым наконечником, и сопла, изолированного от корпуса и охлаждаемого водой.

Рис 1.5. Схема плазмотрона: 1-катод из лантанированного вольфрама; 2-рубашка для охлаждения катода; 3-изоляционная прокладка; 4-сопло плазмотрона (анод); 5- электрическая дуга; 6-трубка для подачи порошка; 7-металлизационная струя; 8-порошковый питатель Плазменная сварка и наплавка может быть применена для наплавки металла толщиной наплавленного слоя толщиной от 0,3 до 3,5 мм за один проход, сварки деталей толщиной от 0,01 до 10 мм.

Наибольшее применение на ремонтных предприятиях нашло плазменное напыление. Плазменное напыление основывается на расплавлении порошковых сплавов плазменной дугой и применяется для нанесения покрытий из тугоплавких материалов, а также различных карбидов (хрома, вольфрама и др.). Для получения износостойких покрытий применяют проволоки Нп-30ХГСА, Св-08Г2Ч, Нп-65Г, самофлюсующие хромборникелевые порошки ПГХН80СР4 и СНГН-60, а также порошки на железной основе ФБХ-6−2, КХБ, Т-590, УС-25 и др. Проволоку и порошок подают в плазменную струю на выходе.

Для плазменного напыления выпускаются установки УПУ-3, УПУ-3М, УМП-5−68, УМП-5, АПР-3, комплектуемые плазмотронами ГН-5М (для проволоки), ГН-5Р (для порошка), ПП-25 и ПМ-25. Подготовка деталей к нанесению покрытия аналогична как и при газопламенном напылении. Для повышения прочности сцепления покрытия с основным металлом рекомендуется наносить подслой из молибденового порошка.

Токарная обработка проводится с применением резцов, оснащенных эльбором-Р, шлифование кругами 91А25СМ17К5. Оплавление покрытия на установки т.в.ч. производится с частотой тока 75…100 кГц, зазор между деталью и индуктором 5…6 мм, частота вращения 15…20 мин -1, сила тока высокой ступени генератора т.в.ч. 5…8 А.

Оплавление покрытия из сплавов на основе никеля ПГ-СР2, ПГ-СР3, ПГ-СР4 имеют следующие свойства: микротвердость покрытий HRC 35…60 в зависимости от содержания в них бора; благодаря присутствию в структуре покрытий твердых кристаллов (боридов и карбидов) значительно повышается износостойкость (при напылении ПГ-СР4 она в 2…3 раза превышает износостойкость стали 45, закаленный до твердости HRC 54…58, а при напылении порошковой смесью, состоящей из 50% ПГ-СР4 и 50% ПГ-С1, — в 5…10 раз); усталостная прочность деталей после оплавления покрытия повышается на 20…25%, что объясняется упрочняющим влиянием покрытия.

Этим способом можно восстанавливать поверхности деталей, работающих в условиях значительных знакопеременных нагрузок (кулачки распределительных валов, шейки коленчатых валов и др.).

— Другие способы обработки поверхностей изделий Большое распространение имеет способ покрытия изделий из железного порошка с помощью пара. Под действием перегретого пара под давлением около 4 ат получается стойкое и инертное покрытие в виде магнитной окиси железа. Перед обработкой паром изделия нагреваются до температуры около 600 °C. У железных изделий, обработанных этим способом, повышается твердость, прочность при сжатии, износостойкость и коррозионная стойкость, но понижается пористость, вязкость и прочность при растяжении. Изделия, подвергнутые полной обработке паром, обычно теряют самосмазывающиесвойства, однако обработку можно прекратить в любой стадии уменьшения этих свойств. В некоторых случаях изделия только частично обрабатываются паром, но при этом уже значительно увеличивается коррозионная стойкость без заметного понижения прочности при растяжении и самосмазывающих свойств. Регулирование процесса покрытия обычно производится изменением продолжительности обработки паром. При обработке во всех порах, куда проникает пар, образуется магнитная окись железа. Количество образующей окиси железа зависит от пористости изделия, так как наличие пор пропорционально увеличивает обрабатываемую поверхность. Опытным путем определено, что при обработке паром в течение 4 мин. образуется половинное количество окиси и вес изделия увеличивается на 4%. После обработки паром в течение 60 мин. вес изделия увеличивается на 7,8%, но при дальнейшей обработке вес остается неизменным. Таким образом, в магнитную окись железа на поверхностях изделий при увеличении веса на 7,8% от первоначального переходит около одной пятой части всего железа, содержащегося в изделии. Прирост веса получается относительно большим, однако размерные изменения незначительны. Изменение твердости и других механических и физических свойств зависит от пористости, т. е. от плотности изделия, поэтому такие изменения находятся под контролем. Изделия средней плотности приобретают максимальную твердость после обработки па ром, потому что образуется значительное количество окиси железа, которая создает очень жесткий скелет в структуре металла, а внутренние части структуры остаются чисто металлическими. Для предотвращения коррозии широко применяется фосфатная обработка изделий. Иногда производится паркеризация с применением такого восстанавливающего агента, как окись магния в растворе фосфорнокислого железа. При погружении изделий в кипящийдигидросульфат магния выделяется значительное количество водорода. После окончания пенообразования изделия вынимаются и высушиваются. Получается светло-серое покрытие, цвет которого можно изменить до глубоко черного, погружением в парафиновое масло. Однако в некоторых случаях фосфатная обработка может ухудшить свойства изделий.

1.2 Подготовка поверхности Качественная обработка поверхности изделий перед напылением во многом гарантирует высокую адгезионную прочность покрытий. Поверхность изделий, поступающих на напыление, обычно содержит различные виды загрязнения. Рассмотрим их.

1. Физические или механические загрязнения. К ним относятся пыль, ворсинки, абразивные частицы и др. Загрязнения химически не связаны с поверхностью или имеют очень слабое адгезионное взаимодействие.

2. Органическое загрязнение в виде адсорбированных тонких и толстых пленок. К ним следует отнести различные смазки, воск, парафин и др.

3. Загрязнения, растворимые в воде: соли, кислоты, щелочи и др.

4. Химически связанные загрязнения. К ним относят оксидные, нитридные, сульфидные и другие, а также более сложные соединения (гидроксидные, оксинитридные и др.).

5. Газообразные загрязнения, адсорбированные поверхностью[1].

К механической подготовке поверхности относятся шлифование, полирование, кварцевание и гидроабразивная обработка.

В процессе шлифования производится удаление с поверхности грубых шероховатостей или неровностей острыми гранями зерен абразивного материала. В качестве абразивов при грубой обработке применяются карборунд SiC или корунд А1503, при более мягкой обработке — наждак, включающий 60—70% А1203 и 30—35% Fe2Os, а также кварц, пемза и т. п. Шлифование осуществляется на механических станках посредством вращающихся шлифовальных кругов. Круги изготовляются из абразивного материала с применением в качестве связующего смолы, глины, жидкого стекла и т. п. Такие круги называются шлифовальными камнями и используются для удаления грубых неровностей, окалины, заусенцев и др. Для более тонкой обработки применяются круги, изготовленные склеиванием или сшиванием дисков из войлока, парусины, сукна, брезента и других материалов. На боковую поверхность круга наносятся зерна абразива, закрепляемые при помощи клея или жидкого стекла.

Полирование предназначено для устранения мельчайших неровностей с поверхности и придания ей блестящего вида путем удаления микровыступов и заполнения углублений. Химические соединения, входящие в состав полировальных веществ, способствуют появлению на поверхности металла оксидной пленки, которая удаляется с поверхности при механическом воздействии значительно легче, чем выступающие частички металла. Процесс полирования включает образование и снятие оксидной пленки. Оно осуществляется на механических станках, но полировальные круги, в отличие от шлифовальных, изготовляются из более мягкого материала (полотна, замши, фетра). На боковую поверхность кругов при их вращении наносятся полировальные пасты, которые состоят из связки (полутвердых жиров — стеарин, олеин, воск, парафин и т. п.), абразива н некоторых других веществ, способствующих появлению оксидов или облегчающих удаление связки при обезжиривании. В качестве абразивов используются материалы смелкими зернами: оксид хрома, оксид алюминия, венская известь (оксид кальция с добавлением небольших количеств оксида магния и других примесей). В последнее время, в связи с трудностью удаления пасты о полированной поверхности, предпочтительнее применять так называемые водосмываемые полировальные пасты, в состав которых неомыляемые жиры не входят.

Шлифование и полирование мелких деталей производятся во вращающихся барабанах или колоколах. Если детали обрабатываются без добавления абразива, операция называется галтовкой. Обычно она продолжается от нескольких часов до нескольких суток в зависимости от природы металла и состояния его поверхности. Более распространенными являются подводное шлифование и полирование, при которых детали вместе с абразивом загружаются в перфорированный барабан, который вращается в ванне, содержащей раствор мыла (0,2%), небольшое количество щелочи и ПАВ. Абразивом при подводном шлифовании служат песок, обкатанный бой абразивных кругов, фарфора, фаянса или другого материала, добавляемые в 5−8-кратном избытке по отношению к объему деталей. При подводном полировании в качестве абразива используются древесные опилки, металлические шарики, обрезки кожи, фетра, войлока и т, п. Соотношение объема абразива и деталей 2:1. Время обработки зависит от состояния обрабатываемой поверхности.

Кварцеваниепредставляет собой обработку поверхности при помощи металлических или волосяных щеток на станках или вручную. Кварцеванием удаляются споверхности остатки травильного шлама, жировых пленок труднорастворимых соединений. Кварцеванию могут подвергаться губчатые или рыхлые покрытия с целью получения" компактных осадков.

Гидроабразивной называется обработка поверхности струей воды со взвешенными частичками абразива (например песка), которая подается под большим давлением. Струя сбивает споверхности окалину или другие механические загрязнения и делает поверхность шероховатой. Гидроабразивную обработку применяют в тех случаях, когда слой окалины толстый и снятие его травлением чрезвычайно длительный процесс. Шероховатость поверхности улучшает сцепление с ней фосфатных покрытий, а также покрытий лаками и красками. Гидроабразивная обработка в основном используется вместо применявшейся ранее сухой пескоструйной обработки, недостатком которой являлись сильные загрязнения воздуха кварцевой пылью, что вызывало профессиональное заболевание рабочих — силикоз легких. Кроме гидроабразивной обработки для замены сухой пескоструйной обработки иногда применяют обработку поверхности струей металлической дроби, однако при этом в воздух возможно попадание металлической пыли. Поэтому гидроабразивная обработка по сравнению с пескоструйной обработкой и металлической дробью имеет большие преимущества.

1.3 Технология напрессовки порошкового слоя. Патенты Наиболее целесообразным способом восстановления рабочих поверхностей с втулок является метод спекания композиционных материалов.

Под восстановлением деталей понимается комплекс технологических операций по приданию деталям изначальной геометрической формы и размеров, путем нанесения покрытий в соответствии с технологическими условиями изготовления, а также приобретением ими высоких эксплуатационных и физико-механических свойств, не уступающих аналогам, изготовленным по базовой технологии.

В основе технологического процесса нанесения композиционных материалов на поверхность детали заложены формообразующие свойства данных материалов при использовании холодного прессования и высокотемпературного спекания покрытий. Рассмотрим применение композиционных материалов на примере нанесения износостойких покрытий на рабочие поверхности стальных втулок. При этом необходимо учесть тот, факт, что на стадии изготовления стальной втулки внутренний диаметр ее должен быть больше номинального на величину заданной толщины наносимого покрытия, которая может составлять от 1,5 мм до 2 мм.

Технологический процесс восстановления рабочих поверхностей втулок применением композиционных материалов реализуется согласно структурной схеме, рисунок 1.6.

Рис 1.6 Структурная схема технологического процесса нанесения композиционных покрытий на рабочие поверхности втулок

Перед нанесением композиционного материала на основу детали необходимо произвести просушку его при температуре 150…200С в течение одного часа в сушильном шкафу типа Ш-0.05, при периодическом встряхивании и перемешивании. Дозировка композиционного материала необходимо выполнить при помощи аналитических весов ВА-200 с точностью определения массы порошка +0,01 грамм.

Способы нанесения покрытия на внутреннюю поверхность. Патенты.

Существует много литературы и много документов, в которых описывается различные способы нанесения покрытия на ту или иную поверхность, а также восстановления втулок.

· Рассмотрим патент, опубликованный в 2006 году Вашковцевым Виктором Владимировичем. Его описание представлено ниже[11].

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам нанесения покрытий из металлических порошков при восстановлении и изготовлении деталей триботехнического назначения.

Известен способ восстановления деталей с внутренней полостью, включающий обжатие детали магнитоимпульсным методом на оправке, магнитоимпульсное напрессовывание порошкового слоя на наружную поверхность детали посредством ее раздачи в полости матрицы и спекания (а.с. СССР № 1 093 398, кл. В 22 F 7/04, заявлено 10.11.82, опубликовано 23.05.84, Бюл. № 19). Недостатком указанного способа является его трудоемкость, энергоемкость и нетехнологичность.

В качестве ближайшего аналога выбран способ восстановления изношенных поверхностей полых цилиндрических изделий, включающий загрузку порошка в полость изделия и спекание под давлением при вращении, причем давление прикладывают циклически вдоль оси изделия, а после спекания осуществляют радиальную раздачу изделия (а.с. СССР № 1 533 840, кл. В 22 F 7/04, заявлено 06.08.87, опубликовано 07.01.90, Бюл. № 1).

Существенным недостатком данного способа является неэффективность индукционного нагрева деталей из цветных металлов, сложность применяемого оборудования и оснастки и как следствие высокая трудоемкость и энергоемкость, а также малая производительность процесса.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является упрощение процесса восстановления и повышение его производительности, снижение трудоемкости и энергоемкости, а также упрощение применяемого оборудования и оснастки.

Указанная техническая задача решается тем, что в способе восстановления втулок подшипников скольжения, включающем загрузку порошка в полость между инструментом и внутренней поверхностью втулки, напрессовку, спекание порошка и радиальную раздачу втулки, в отличие от прототипа, напрессовку и раздачу втулки осуществляют одновременно перед спеканием в кондукторе, воздействуя инструментом на порошок.

Для повышения эффективности процесса восстановления напрессовку и раздачу осуществляют инструментом, выполненным из материала с эффектом памяти формы, путем нагрева его до температуры обратного мартенситного превращения.

Для исключения последующей после восстановления механической обработки наружной поверхности втулки внутренний диаметр кондуктора выполняют соответствующим номинальному наружному диаметру втулки.

Предлагаемый способ значительно упрощает процесс восстановления, повышает его производительность, снижает трудоемкость и энергоемкость, а также позволяет отказаться от сложного, дорогого оборудования и оснастки.

Способ осуществляется следующим образом.

Вначале обрабатывают внутреннюю поверхность втулки растачиванием для удаления следов износа и различных аномальных повреждений поверхности (натиров, задиров и т. п.). Наружную поверхность обрабатывать, как правило, нет необходимости, так как ее износ связан с остаточной пластической деформацией после запрессовки в корпус и потерей натяга. Однако, если она имеет существенные повреждения в виде задиров и следов схватывания, то механическая обработка необходима.

После механической обработки втулку помещают вкондуктор, а внутрь устанавливают инструмент в виде полого цилиндра, выполненного из материала с обратимым эффектом запоминания формы, например, никелида титана.

Выполнение обоймы из материала, обладающего обратимым эффектом запоминания формы, обеспечивает значительное изменение размеров и степени деформации при нагреве и охлаждении его выше и ниже интервала температур мартенситного превращения, что позволяет иметь очень простой и удобный силовой термочуствительный инструмент для раздачи (восстановления) втулок. Например, никелид титана (содержащий 54−56% никеля, титан остальное) обладает многократным обратимым эффектом памяти формы при термоциклировании более 10 7 циклов с величиной формоизменения по диаметру 10−15% и максимальным генерированием напряжений при изменении диаметра от нагрева выше 150 °C до 60 кг/мм2.

После того, как сборка собрана, в зазор между инструментом и внутренней поверхностью втулки засыпают порошок из материала, соответствующего материалу изношенной рабочей поверхности втулки. Изношенная втулка может быть как цельнометаллической, например, бронзовой, так и биметаллической, например, сталебронзовой.

После этого всю сборку или только инструмент нагревают до температуры 150−200°С (температура обратного мартенситного превращения никелида титана). При нагреве до температуры обратного мартенситного превращения инструмент восстанавливает первоначально заданную при нагреве (400−500°С) форму при изготовлении, т. е. увеличивается в диаметре на 10−15%, в результате чего создает радиальное давление на порошок, а через него на втулку. В результате этого одновременно осуществляется напрессовка порошка и раздача втулки. После охлаждения до комнатной температуры инструмент принимает первоначальную форму и размеры, приданные ему при изготовлении при нормальной температуре. После этого инструмент вынимают из втулки и устанавливают в следующую подготовленную для восстановления втулку.

Втулку с напрессованным порошком подвергают спеканию известным способом. После этого производят механическую обработку внутренней и наружной поверхностей восстановленной втулки.

Чтобы избежать необходимости механической обработки наружной поверхности втулки, внутренний диаметр кондуктора выполняют соответствующим номинальному наружному диаметру втулки с учетом упругого восстановления формы после раздачи.

Пример реализации способа Восстанавливают внутреннюю и наружную поверхность бронзовой (Бр 010С10) втулки рессорной подвески грузового автомобиля МАЗ 509. Номинальные размеры втулки: внутренний диаметр 55+0,03 мм, наружный — 65+0,06 мм. Износ внутренней поверхности 0,57 мм, наружной — 0,08 мм.

Обрабатывают только внутреннюю поверхность втулки растачиванием до диаметра 53 мм.

Кондуктор изготавливают из стали 45 с внутренним диаметром, соответствующим номинальному наружному диаметру втулки 55+0,05 мм.

Втулку устанавливают в кондуктор, а внутрь ее инструмент, выполненный из никелида титана Т 46 Н 54. В зазор между втулкой и инструментом засыпают порошок бронзы Бр 010С10. Сборку помещают в печь с температурой 150 °C и выдерживают 10 мин. После этого сборку охлаждают на воздухе и разбирают. Затем втулку спекают в печи в присутствии водорода при температуре 850 °C в течение 2,5 часов. После охлаждения производят расточку внутренней поверхности втулки до номинального значения.

Исследования геометрических и физико-механических свойств восстановленных втулок, а также прочности сцепления показали, что они полностью соответствуют рабочему чертежу детали и ТУ на их изготовление.

В сравнении с известным предлагаемый способ более прост и производителен, имеет меньшую трудоемкость и энергоемкость, а также не требует применения сложного оборудования и оснастки.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ восстановления изношенных втулок подшипников скольжения, включающий загрузку порошка в полость между инструментом и внутренней поверхностью втулки, напрессовку, спекание порошка и радиальную раздачу втулки, отличающийся тем, что напрессовку и раздачу втулки осуществляют одновременно в кондукторе воздействием инструмента на порошок перед спеканием.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что напрессовку и раздачу осуществляют инструментом, выполненным из материала с эффектом памяти формы, путем нагрева его до температуры обратного мартенситного превращения.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что внутренний диаметр кондуктора выполняют соответствующим номинальному наружному диаметру втулки.

Патент, опубликованный в 2000 году несколькими учёными: Коваль Н. Н.; Толкачев В. С.; Щанин П. М. Его описание представлено ниже[8].

Изобретение относится к технологиям нанесения упрочняющих, защитных и декоративных покрытий на изделия из металла, стекла и керамики для придания им различных функциональных свойств и цветовых оттенков. Изобретение может быть использовано в устройствах для финишной очистки и активации поверхности изделий перед нанесением покрытий и ионного ассистирования в процессе напыления покрытий в вакууме. Получаемые по предлагаемому способу композиционные покрытия могут быть использованы в различных отраслях промышленности для упрочнения деталей, увеличения их коррозионной стойкости и износостойкости.

Известен способ нанесения покрытий на изделия с использованием магнетронного разряда, создающего в атмосфере рабочего реакционноспособного газа потоки плазмы и потоки атомов материала мишени, а также источника с разрядом в скрещенных электрическом и магнитном полях с образованием направленного ионного потока. При таком способе производительность процесса нанесения покрытия, очистку и активацию поверхности изделий обеспечивает ионный источник, и качество покрытий зависит отего параметров: тока разряда (Iр = 3 А) и энергии ионов в потоке плазмы (E = 25 — 700 эВ). Максимальная скорость нанесения покрытий лежит в узкой области давлений 0,1 — 0,3 Па.

Расширить диапазон давлений без потери скорости нанесения покрытий не удается вследствие низкой концентрации плазмы, генерируемой ионным источником и зависящей, в основном, от разрядного тока, который уменьшается с понижением давления вплоть до погасания разряда при давлении < 0,1 Па. С другой стороны, даже при незначительном превышении разрядного тока ионного источника над разрядным током магнетронного источника, составляющим несколько ампер, наблюдается несогласование генерируемого им потока газовых ионов с потоком атомов мишени магнетронного источника. Это ведет к ухудшению качества композиционных покрытий, проявляющемуся в нарушении их стехиометрии и разрыхлении структуры. При увеличении разрядного тока (> 10 А) разряд в ионном источнике переходит из диффузной в контрагированную форму горения с образованием катодного пятна. Такой режим работы является аварийным для ионного источника, т.к. приводит к сильной эрозии его электродов и неконтролируемому запылению подложки. Кроме того, при таком методе обработки очистка и активация поверхности изделий происходит лишь в зоне направленного ионного потока, что не позволяет обрабатывать крупногабаритные детали и изделия сложной формы, а при больших токах разряда в таких системах, вследствие большой величины катодного падения потенциала (до ~ 700 В), происходит распыление материала конструкций узла плазмообразования с последующим запылением поверхности изделия этим материалом, что ухудшает адгезионные свойства покрытия.