Газоплазменное напыление

Процесс напыления. В данном слу­чае в качестве источника энергии для нагрева частиц присадочного мате­риала используют газокислородное пламя. Для транспортирования на­гретого напыляемого порошка на уп­рочняемую поверхность используют сжатый воздух или газокислородную струю. В качестве газа наиболее часто в практике ремонтного производ­ства применяют ацетилен или про­пан-бутан.

Рассмотрим два основных способа газопламенного напыления. На рис. 9.3, а представлена первая схема газопламенного напыления, в которой подача порошкообразного присадоч­ного материала в зону пламени осу­ществляется в результате инжекции струей кислорода. В процессе напы­ления порошок из вместимости, за­крепленной на горелке, после откры­тия клапана поступает в канал горел­ки и захватывается потоком транс­портирующего газа. При выходе из сопла горелки порошкообразный ма­териал попадает в зону пламени, где происходит его оплавление. В даль­нейшем потоком горящих газов поро­шок, находящийся в тестообразном состоянии, подается на восстанавли­ваемую поверхность.

Во втором способе порошкообраз­ный присадочный материал подает­ся из емкости непосредственно в фа­кел пламени под действием силы тяжести. Схема напыления с подачей порошка в факел пламени под дейст­вием сил гравитации показана на рис. 9.3, б!

Достоинства первой схемы газо­пламенного напыления заключают­ся в том, что транспортировка по­рошка к поверхности детали проис­ходит под действием струи газа, а это уменьшает степень окисления расплавленных частиц. В результа­те повышается качество напыленного слоя и прочность сцепления его с основным металлом. Преимущест­ва второго способа внешней подачи порошка заключаются в простоте оборудования, возможности точной регулировки мощности пламени и места ввода порошка в факел, отпа­дает необходимость в транспорти­рующем газе и пр.

Основными свойствами, определя­ющими эксплуатационную надеж­ность восстановленных напылением деталей, является прочность сцепле­ния нанесенного слоя материала с ос­новным металлом. Степень сцепле­ния покрытия с основным металлом определяется, в первую очередь, со­стоянием восстанавливаемой поверх­ности детали, скоростью полета час­тиц, их температурой, видом матери­ала.

Наиболее развитая поверхность детали, т. е. обладающая наибольшей шероховатостью, обеспечивает при прочих равных условиях большее значение сцепления покрытия с ос­новным металлом. Для повышения прочности сцепления газопламенных покрытий восстанавливаемой повер­хности придают необходимую шеро­ховатость струйной обработкой ко­рундом, колотой дробью, нарезанием резьбы, накаткой роликом, электро­механической обработкой и другими способами. Чем больше шерохова­тость, тем и выше прочность сцепле­ния покрытия с основным металлом. Однако одновременно с этим снижа­ется усталостная прочность деталей.

На прочность сцепления покрытия с основным материалом значитель­ное влияние оказывает первый слой напыленных частиц, являющийся своеобразным грунтом для последу­ющих слоев. Сцепление частиц перво­го слоя с металлом восстанавливае­мой поверхности происходит в наиболее неблагоприятных условиях. Это связано с резким охлаждением час­тиц при контакте с холодной поверх­ностью детали, в результате чего их пластичность снижается. По этой причине смачивание твердой поверх­ности происходит в неблагоприятных условиях в сравнении со смачивани­ем последующих слоев. Требуемые условия для возникновения молеку­лярных сил для большинства частиц отсутствуют из-за наличия окисной пленки на поверхности детали и напыленных частицах. Кроме того, из-за значительной разности темпера­тур наносимых частиц и поверхности детали в покрытии по границам час­тиц возникают внутренние напряже­ния. Однако каждый последующий слой частиц имеет более высокую температуру, чем температура поверхности детали. Поэтому пластич­ность частиц присадочного материа­ла во всех последующих слоях более высокая, чем частиц граничного слоя. В результате этого условия смачива­ния частиц в каждом последующем слое более благоприятны, чем у пер­вого слоя. При высокой температуре покрытия происходит спекание час­тиц и усадка слоя в целом. В связи с этим прочность сцепления частиц между собой выше прочности сцепле­ния покрытия с восстанавливаемой поверхностью.

Прочность сцепления частиц при­садочного материала с основным ме­таллом можно увеличить, предвари­тельно нанеся подслой из специаль­ных материалов. Для подслоя ис­пользуют молибден, нержавеющую сталь, экзотермические композиции из смеси никеля и алюминия. Наибо­лее широкое распространение полу­чили порошки, которые при нагреве вступают в экзотермическую реак­цию. В результате частицы металла свариваются с материалом восста­навливаемой поверхности. Размеры зоны сплавления незначительны и лежат в пределах 0,1 мм. Напыленный слой имеет сильно развитую поверх­ность. Благодаря высокой темпера­туре (более 1500 °С) частиц металла подслоя в момент контакта с поверх­ностью основного материала обеспе­чивается высокая прочность сцепле­ния и плотность покрытия.

На подготовленную к напылению поверхность (после нанесения под­слоя) наносят основной (рабочий) слой покрытия. Попадая на подогре­тую до температуры 100 °С деталь, оплавленные до тестообразного со­стояния частицы порошка заполняют всевозможные неровности. После за­вершения процессов кристаллизации и охлаждения частицы нанесенного металла сжимаются и прочно прони­кают в основной металл (рис. 9.4). Не­ровности микрорельефа восстанавливаемой детали увеличивают повер­хность контакта. В результате дейст­вие межатомных сил проявляется на больших участках и увеличивается в результате быстрого спекания час­тиц.

Специализированный участок (рис. 9.5) восстановления деталей газопламенным напылением (наплав­кой) состоит из следующего оборудо­вания:

компрессора с рабочим давлением 0,4 — 0,6 МПа; камеры струйной об­работки деталей корундом или коло­той металлической дробью модели 026-7 "Ремдеталь"; масловлагоотделителя; вращателя деталей типа 011-1-09 "Ремдеталь"; горелки для газо­пламенного напыления и наплавки инжекторного типа ГН-2; стола свар­щика; печи для сушки порошка; стола и сита для просеивания порошка; вентилятора; воздуховода; газораспределительного щита; стеллажей.

Горелка ГН-2 предназначена для ацетиленокислородной наплавки и напыления гранулированных само­флюсующихся и экзотермических по­рошков, наносимых для восстановле­ния и упрочнения поверхностей дета­лей.

Общий вид горелки ГН-2 показан

на рис. 9.6. На стволе 5 горелки раз­мещены стандартные вентили 6 для регулировки подачи горючей смеси газов. В верхней части горелки распо­ложена емкость.3 для порошкообраз­ного присадочного материала, пода­ча которого в горелки 2 осуществля­ется рычагом 4. Горелка имеет смен­ный мундштук 1, изготовленный из меди. Замена мундштука позволяет регулировать мощность пламени. Данная горелка работает по прин­ципу инжектирования порошка кислородной струей и горючего газа кислородно-порошковой смесью, т. е. по­рошок металла поступает в зону на­грева вместе с горючей смесью. ,

Горелка ГН-2 имеет следующие ос­новные технические характеристики: диапазон толщин напыляемого слоя — 0,3 — 2 мм; расход порошка при непрерывной подаче в пламя — 2,0 кг/ч; коэффициент использования порошка — 75 %; расход кислоро­да — 350 — 600 л/ч; расход ацетиле­на — 350 — 600 л/ч; давление кисло­рода — не более 0,2 — 0,35 МПа (для мундштука № 4); давление ацетиле­на — не менее 0,1 МПа.

Для струйной обработки поверхно­сти восстанавливаемых деталей ко­лотой дробью или корундом участок оснащен установкой ОК-26-7 "Ремдеталь". Данная установка стационар­ного типа состоит из металлического каркаса, поддона для дроби или ко­рунда, камеры для очистки деталей, пистолета, передней стенки, на кото­рой установлено смотровое окно, ма­нометр и редуктор, а также плафон для освещения камеры. Расход воз­духа при непрерывной работе струей установки не превышает 4,5 м³/ч. До­пустимое максимальное давление воздуха — до 0,8 МПа. В установке используется дробь или корунд с раз­мером частиц 0,5 — 3 мм.

Используемые материалы. В каче­стве подслоя применяют алюминиево-никелевую смесь, состоящую из 80 — 82 % N1 и 18 — 20 % А1. Компо­зиционный порошок представляет со­бой сферические частицы алюминия, плакированные никелем. Под дейст­вием газового пламени частицы по­рошка нагреваются до температуры 700 — 800°С, и между N1 и А1 проис­ходит экзотермическая реакция. В результате реакции температура резко повышается и при достижении частицами восстанавливаемой по­верхности достигает 1460 — 1500°С. В данном случае возникают механи­ческие, физические и химические (микросварка) связи порошка с под­ложкой.

В качестве материалов для получе­ния рабочего слоя покрытий исполь­зуют в основном самофлюсующиеся порошки на никелевой основе. В табл. 9.2 приведены характеристики неко­торых отечественных порошков для газопламенного напыления и на­плавки, получившие наиболее широ­кое распространение в ремонтном производстве для восстановления и упрочнения автотракторных деталей.

Композиционные порошки ПТ-НА-01 и ПГ-19Н-01 представляют собой плакированные алюминием сфериче­ские частицы на основе никеля и его сплавов. Эти порошки используют для напыления без последующего оплавления и применяют, как правило, для подслоя. Однако они могут ис­пользоваться и для основного слоя, например для шеек коленчатых ва­лов автомобильных двигателей.

Порошкообразные материалы хранят в герметичной таре, исключа­ющей их загрязнение и окисление. Перед применением порошки просу­шивают в электрошкафах при темпе­ратуре 150 — 170 °С в течение 3 — 4ч при толщине засыпки 10— 15 мм и периодическом перемешивании материала. Для сушки используют про­тивни из нержавеющей стали. При попадании инородных тел порошок просеивают через сита с размером ячеек 0,1 и 0,04 мм.

Порошкообразные материалы, ис­пользуемые для газоплазменного на­пыления и наплавки, на предприяти­ях подлежат входному контролю на предмет их соответствия сопроводи­тельному документу. Отдельные пар­тии порошка имеют паспорт, в кото­ром указывается наименование материала, его марка, размер частиц, химический состав и пр.

Подготовка поверхностидеталей к напылению. Качество подготовки восстанавливаемой поверхности де­талей к напылению играет опреде­ленную роль в сцеплении покрытия с подложкой. Подготовка поверхности заключается в удалении масла, влаги и обезжиривании поверхности, а так­же механической обработки.

Очистка деталей перед напылени­ем осуществляется в моющем раство­ре Лабомид-102 или Лабомид-203 при его концентрации 29 г/л в течение 20 — 25 мин при температуре раство­ра 80 — 85 "С. После ополаскивания в чистой воде детали сушат до полно­го удаления остатков влаги.

Для' удаления остатков масла

можно использовать трихлор-. или перхлорэтилен и чистую салфетку. Нельзя использовать очищающий материал дважды. Можно использо­вать и метод выжигания горелкой жирных пятен. Выжигание необходи­мо выполнять при избытке кислорода в пламени. Не следует для очистки использовать сжатый воздух, так как капельки масла из воздуха могут за­грязнить уже очищенные поверхно­сти.

В процессе эксплуатации в резуль­тате износа восстанавливаемые по­верхности деталей принимают раз­личную форму — овальность, бочкообразность, огранку и пр. (рис. 9.7). Для устранения следов износа вос­станавливаемую поверхность подвергают механической обработке без применения смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ).

Рис. 9.7. Отклонение формы по­верхностей деталей в результате из­носа:

а — оградка; 6 — конусность; в — бочкообразность; г — корсетообразность; д — волнистость; е — эллипсность

Для незакаленных деталей кроме проточки нарезают рваную резьбу для повышения прочности сцепления покрытия с основным металлом. При нарезании резьбы вершина резца смещается относительно линии цент­ров станка на 3 — 5мм; шаг нарезае­мой резьбы — в предел ах 0,4—0,7мм при глубине резания 0,3 — 0,4 мм (рис. 9.8).

У закаленных деталей требуемая шероховатость поверхности перед на­пылением достигается струйной об­работкой порошком электрокорунда с размером зерна 0,5—8 мм. Обра­ботка восстанавливаемой поверхно­сти выполняется в струйной камере при следующих режимах: давление воздуха — 0,5 — 0,6 МПа, угол наклона струи абразива к поверхно­сти — 60 — 70 °, расстояние от обре­за сопла пистолета до поверхности — 70 —90 мм. После 5 — 7-кратного использования порошка корунда осу­ществляется его сушка в течение 3 ч при температуре 200 °С. Периодиче­ски производится просев электроко­рунда. Аналогичным образом осуще­ствляется подготовка поверхности и при других способах газотермическо­го напыления.

Подготовленные к напылению по­верхности необходимо защищать от возможного загрязнения, а места де­тали, не подлежащие покрытию, — предохранять кожухами или обмаз­кой. Промежуток времени между подготовкой поверхности к напыле­нию и непосредственно процессом на­пыления не должен превышать 2 — 3 ч. Нельзя трогать руками подготов­ленную поверхность.

Горелку ГН-2 для напыления под­соединяют соответствующими шту­церами к шлангам подачи кислорода и ацетилена. Уст;! приливают и загру­жают порошком бачок и опробуют механизм подачи порошка. После за­жигания газовой смеси (ацетилен — кислород) регулируют пламя подачей ацетилена таким образом, чтобы его ядро имело длину 6 — 8 мм. При восстановлении наружной цилиндри­ческой поверхности (тел вращения) деталь устанавливают в центре вра­щателя. При напылении других дета­лей, например сферической поверх­ности лапки коромысла клапана, их укладывают в соответствующее мно­гоместное приспособление на столе сварщика.

Напыление. Процесс напыления (первый этап) начинают с нагрева

восстанавливаемой поверхности до температуры 60 — 100 °С для удале­ния следов влаги и устранения воз­можного образования конденсата. Первый этап напыления заключает­ся в нанесении подслоя экзотермического никель-алюминиевого порошка ПТ-НА-01. Подслой наносят на один проход газопламенной горелки. Тол­щина подслоя должна находиться в пределах 0,06 — 0,1 мм. Расход экзо­термического порошка составляет 6 — 8 г на 1 дм² восстанавливаемой поверхности. Дистанция напыле­ния — 160— 180мм.

Второй этап напыления заключа­ется в нанесении основного (рабоче­го) слоя порошка, толщина которого должна быть на 0,3 мм больше номи­нального размера восстанавливае­мой детали. Основной слой наносят в несколько проходов, при этом темпе­ратура детали не должна превышать 200 — 250 °С. При восстановлении тел вращения скорость вращения де­тали 'лежит в пределах 18 — 20 м/мин. Напыление выполняют до номинального или ближайшего ре­монтного размера с припуском на по­следующую Механическую обработ­ку 0,5 — 0,6 мм на диаметр вала. В процессе напыления необходимо кон­тролировать равномерность толщи­ны слоя по длине и диаметру деталей (в 3 — 4 сечениях). Для контроля ис­пользуют шаблоны, штангенциркули или микрометры с обезжиренными губками.

При напылении порошком с после­дующим оплавлением слоя подготов­ка поверхности детали перед нанесе­нием порошка заключается в ее меха­нической обработке на станках без применения СОЖ.

Рис. 9.8. Подготовка поверхностей деталей под покрытие

На обработанную поверхность наносят слой порошка необходимой толщины и оплавляют его ацетиленокислородным пламе­нем горелки ГН-2. Об окончании про­цесса оплавления судят по появле­нию характерной блестящей поверх­ности напыленного слоя.