Разработка технологии воздушно-плазменного восстановления изношенных деталей нанесением покрытий из порошков оксида алюминия и феррохрома

Одной из важнейших задач современного этапа развития машиностроения является повышение качества, надежности и долговечности деталей, узлов и механизмов. Эта проблема особенно важна для Гвинеи, т.к. Республика Гвинея обладает большим парком машин и механизмов, работающих в различных областях индустрии и транспорта. К сожалению, эксплуатация этих машин проходит в тяжелых условиях и происходят частые поломки машин. Нередко встречаются случаи, когда хорошие дорогие машины (станки) останавливаются на долгое время даже из-за сравнительно небольших неисправностей, а также из-за отсутствия новых деталей. Чтобы восстанавливать машины, нужно покупать детали, части машин в других странах. Во-первых, это очень дорого, а во-вторых, это и очень долго. Все это приводит к большим экономическим потерям.

Республика Гвинея занимает первое место в мире по запасам бокситов. Поэтому там, в настоящее время многочисленные крупные предприятия, добывающие боксит, установили соответствующее оборудование и построили заводы, железные дороги и порты. В качестве примера можно перечислить:

Французская компания (Pichinet) добывает боксит в районе Фриа и в 1963 году построила первый в Африке, завод, производящий оксид алюминия, и 160 км железной дороги до порта Конакри.

Американская компания (ALCO) добывает боксит в районе Бокэ с 1970 года, построила 200 км железной дороги, перерабатывающий завод и большой порт в городе Камсар.

Русская компания (С.Б.К.) тоже разрабатывает месторождение бокситов в районе Киндиа с 1973 года, построила 120 км железной дороги до порта Конакри.

Иранская компания (S.B.D.) скоро начнет добывать боксит в районе Дабола, используя национальную железную дорогу «Конакри — Канкан» (750 км). Она была построена в 1940 — 1945 годах.

Кроме того, парк грузовых машин, железнодорожного и другого транспорта значительно увеличивается. При этом интенсивность износа деталей машин весьма велика, что связано с продолжительностью движения и с крутизной рельефа, который характерен для Гвинеи.

Обобщая сказанное, перечислим основные проблемы, возникшие в результате индустриализации Гвинеи:

1) Значительное увеличение количества железных дорог в Гвинее и повышение износа деталей в различных областях транспорта, промышленности и сельского хозяйства;

2) Трудности со снабжением запасными частями и удорожание механических деталей;

3) Необходимость повышения надежности машин и механизмов и длительности эксплуатации оборудования, в условиях жаркого климата.

Указанные проблемы могут быть решены с помощью использования новейшей техники и внедрения принципиально новых видов технологии, а также подготовки специалистов в этих областях.

Судя по данным научных исследований и промышленной практике, восстановление изношенных деталей весьма успешно производится с помощью плазменной технологии. Сегодня трудно назвать область промышленности, где не могли бы с успехом использоваться газоплазменное напыление, электродуговая металлизация. Важное значение приобретает применение покрытий, наносимых методами газотермического напыления, основное преимущество, которых заключается в возможности получения высококачественных покрытий из коррозионно.

— износостойких материалов разных видов и нанесение их на поверхность деталей.

Одним из перспективных методов газо-термического напыления покрытий является применение оксида алюминия А120з в качестве естественного природного сырья и другие виды плазменных технологии. Этот оксид — диэлектрик, поэтому применение его для восстановления изношенных деталей возможно только с помощью плазменной технологии. Благодаря высокой твердости, износостойкости, коррозионностойкости и другим свойствам, А1203 позволяет получить разнообразные покрытия, обладающие необходимыми свойствами, снизить потребление дорогих и дефицитных материалов.

Следует отметить, что покрытия из порошка оксида алюминия являются хрупкими. Поэтому увеличение пластичности таких покрытий достигается созданием соответствующих композиции сплавов например АЬ03 + FeCr, А1203 + FeMg, А1203 + FeH и т. д. При этом в работе предлагается применение смеси порошков оксида алюминия и феррохрома из — за доступности этих материалов в Гвинее.

В последнее время использование технологии обычной дуговой сварки, газопламенной сварки и резки металлов получило широкое распространение в Гвинее, где существует завод «DUFOUR & UGON», производящий различные газы, такие как ацетилен, метан, пропан, кислород и др. Это производство удовлетворяет потребности нашей страны в газе.

При выборе и разработке технологии, необходима ориентация на ресурсные и производственные возможности Гвинеи (материалы и оборудование). Применение дефицитных дорогих материалов для восстановления не всегда возможно и целесообразно. Поэтому наиболее правильным путем представляется использование местного сырья: в первую очередь порошка оксида алюминия (А120з), других соединений, сплавов металлов.

Одним из перспективных вариантов использования активной плазмообразующей среды является применение воздуха, которое значительно упрощает установку для напыления, повышает безопасность работ и снижает себестоимость покрытий. Использование воздуха обеспечивает более высокую равномерность нагрева частиц. По сравнению с аргоном воздух обеспечивает увеличение коэффициента теплоотдачи более чем в три раза — поэтому существует реальная возможность снижения потребной мощности.

Таким образом, воздушно-плазменное напыление находит в настоящее время все более широкое применение в технике плазменного напыления покрытий.

В процессе работы над диссертацией предполагается также выбирать оборудование, которое имеет смысл использовать в Гвинее для восстановления деталей с помощью предлагаемой технологии.

Цель работы: Основной целью диссертационной работы является разработка технологии воздушно-плазменного восстановления изношенных деталей нанесением покрытий из порошков оксида алюминия (А1203) и феррохрома (FeCr). В соответствии с поставленной целью были сформулированы следующие задачи:

— Провести исследование важного для Гвинеи покрытия из гвинейского порошка (А1203), а также поиска новых соединений с феррохромом для достижения высоких механических свойств плазменных покрытий;

— Исследовать закономерность влияния режимных параметров плазменного напыления на прочностные показатели (скорость движения и температуры частиц А12Оз и смеси в воздушной плазменной струе).

— Обосновать возможность достижения высокого качества покрытий из смеси порошков оксида алюминия и феррохрома и сформулировать рекомендации его рационального применения в конкретных условиях в Гвинее.

Научная новизна:

1. Исследованы новые составы порошкового покрытия оксида алюминия и феррохрома. Обнаружены удовлетворительные результаты прочности сцепления и износостойкости композиционного покрытия, содержащего 75% А1202 + 25% FeCr, с основой.

2. Обоснованы скорость движения и температура частиц композиции 75% А120з + 25% FeCr, позволяющие определить оптимальные режимы плазменного напыления данной смеси.

3. Произведено экспериментальное изучение износостойкости выбранной композиционной смеси порошков, напыленных на основу. Максимум по износостойкости дает состав 75% А1203 + 25% FeCr.

Практическая значимость работы :

Заключается в разработке и исследовании процесса воздушно-плазменного напыления покрытий из порошков А1203 в смеси с FeCr, важного для Гвинеи. Исследовании методом расчета скорости движения и температуры частиц композиции 75% А1203 + 25% FeCr в воздушной плазменной струе. Экспериментальное определение износостойкости композиционной смеси порошков, напыленных на основу. Разработаны рекомендации по плазменному напылению данной композиции.

Достоверность полученных результатов:

Достоверность полученных результатов подтверждается проведенными спериментами и расчетами. При проведении экспериментов использовался метод определения прочности сцепления покрытий, метод определения износостойкости покрытий, метод исследования внутренней структуры напыленных покрытий.

Расчеты скорости движения частиц порошкового материала по длине плазменной струе проводились по методике расчеты при постоянных параметрах плазмырасчеты температуры дисперсного материала в плазменном потоке проводились при постоянном значении температуры плазмы на начальной участке плазменной струе.

На защиту выносятся:

1. Режимы плазменного напыления термических покрытий из порошков оксида алюминия в смеси FeCr важного для Гвинеи.

2. Результаты расчета скорости движения и температуры частиц композиции 75% А120з + 25% FeCr в плазменной струе.

3. Результаты экспериментального определения прочности сцепления и износостойкости композиционной смеси порошков напыленных на основу.

Апробация работы.

Результаты диссертационной работы докладывались на 6-я международная конференция «Пленки и покрытия ' 2001» в Санкт-Петербургском государственном техническом университете (СПбГТУ), 3−5 апреля 2001.

Публикация:

Клубникин B.C., Ба Ибраима. Износостойкость покрытий из смеси оксида алюминия и хромового сплава, — СПбГТУ // 6-я международная конференция «Пленки и покрытия' 2001». с. 406 — 408.

Структура ш объём диссертации: Диссертация состоит из введения, четырёх глав, общих выводов, списка использованной литературы из 80 наименований. Она изложена на 140 страницах машинописного текста, содержит 22 рисунка и 22 таблицы.

Вывод:

Произведенные расчеты скорости движения и температуры частиц композиционной смеси позволяют определить необходимые режимы напыления и условий нагрева частиц в плазменной струе. Такие результаты достигаются при использовании воздушного плазмотрона ПН-IB м2 (мощность 10 кВт, диаметр сопла 10−11 мм) в следующих режимах напыления:

— При температуре плазмы = 7000 К:

Ток дуги: 1=150 АНапряжение: U=50 В;

Расход воздуха: Гвоз= 1−1,5 г/с;

Расход транспортирующего газа: Г TSa3~l0% Гв03.

Дистанция напыления: Х=130 мм.

— При температуре плазмы = 8000 К:

Ток дуги: 1=180 АНапряжение: U=50 В;

Расход воздуха: Гвоз=1−1,5 г/с;

Дистанция напыления: Х=100 мм.

— При температуре плазмы = 9000 К:

Ток дуги: 1=200 АНапряжение: U=50 В;

Расход воздуха: Гв03=1 -1,5 г/с;

Дистанция напыления: Х=60 мм.

Технологическое оборудование фиксации и перемещения восстанавливаемых деталей определяется конструкцией последних и необходимой производительностью процесса.

Заключение

основные выводы.

В работе представлено описание технологии воздушно-плазменного напыления изношенных деталей нанесением порошков на основе оксида алюминия (А1203) и феррохрома (FeCr).

1. Проведено исследование покрытия из гвинейского порошка (А1203).

2. Проверено качество покрытий из ряда смесей порошка А1203 + FeCr и установлено, что наилучшими свойствами (низкая пористость и высокая износостойкость) обладает покрытие из смеси 75% А1203 + 25% FeCr, что позволяет рекомендовать эту смесь для широкого применения.

3. Исследована закономерность влияния режимных параметров плазменного напыления на прочностные показатели (скорость движения и температура частиц А1203 и смеси с FeCr в воздушной плазменной струе). В частности определена зависимость твердости покрытия (30−35 HRC) от скорости и температуры напыленных частиц. Чем больше частиц, тем выше твердость покрытия.

4. Для обоснования возможности достижения высокого качества покрытий на основе оксида алюминия и феррохрома проведены расчеты скорости движения и температуры частиц смеси 75% А1203 + 25% FeCr в плазменной струе. Расчеты проведены для скорости движения и температуры частиц А1203 и FeCr при температуре плазмы Т = 7000, 8000 и 9000 К. Экспериментальные данные лежат в этой области параметров.

5. Установлено, что при увеличении дистанции напыления происходит значительное увеличение температуры частиц. Однако увеличение дистанции напыления возможно лишь в определенных пределах. В противном случае температура частиц превышает температуру плавления.

Также установлено, что значительное увеличение скорости движения частиц может быть достигнуто при увеличении дистанции напыления.

6. На основе произведенных расчетов скорости движения и температуры частиц композиционной смеси определены необходимые режимы напыления и условий нагрева частиц в плазменной струе, и выбрана конструкция плазмотрона.