Восстановление поверхностей металлизацией

Режимы вибродуговой наплавки в жидкости

(d_эл = 1,2+1,6 мм; I = 100+150 А; U = 12+14 В)

Показатели	Толщина наплавленного слоя, мм
0,3	0,7	0,9	1,5	2,7
Скорость наплавки, м/мин Скорость подачи проволоки, м/мин Подача головки, мм/об Амплитуда колебаний, мм Расход жидкости, л/мин	2,2 0,8 1,5 1,5 0,1	1,5 0,9 1,5 1,8 0,2	1,0 1,0 1,5 2,0 0,3	0,6 1,2 1,8 2,0 0,4	0,3 1,2 2,0 2,0 0,5

Качество наплавленного слоя во многом зависит от материала электродной проволоки. Марку проволоки выбирают в зависимости от требуемых механических свойств наплавленного слоя.

Автоматическую вибродуговую наплавку применяют для наращивания изношенных наружных и внутренних цилиндрических поверхностей, в частности, шеек валов, штоков буровых насосов, замков бурильных труб и других деталей.

К преимуществам вибродуговой наплавки относятся: возможность получения тонких и прочных покрытий, малая глубина зоны термического влияния, небольшой нагрев детали и незначительное выгорание легирующих элементов электродной проволоки. Производительность при вибродуговой наплавке выше, чем при ручной электродуговой, но ниже, чем при наплавке под флюсом.

Процесс металлизации заключается в нанесении расплавленного металла на специально подготовленную поверхность детали распылением его струей воздуха или газа. Частицы расплавленного металла, ударяясь о поверхность детали, заполняют предварительно созданные на поверхности неровности, в результате чего происходит их механическое закрепление, а также возникает молекулярное схватывание между напыляемым и основным металлом. В результате закалки, окисления и наклепа частиц напыляемого металла твердость материала покрытия повышается. Различают электродуговую, газовую, высокочастотную, плазменную и детонационную металлизацию. Напыляемый материал применяется в виде проволоки, ленты или порошка. Плотность напыленного слоя зависит от скорости частиц при ударе, а следовательно, от расстояния между соплом и поверхностью детали. Расплавленная шарообразная частица стали при распылении окисляется. На больших расстояниях пленка окислов успевает утолщиться, поэтому при ударе о поверхность происходит растрескивание оболочки с выбросом жидкого металла через трещины, и покрытие в этом случае складывается из перекрывающих друг друга чешуек. При ударе частиц металла, не образующих пленки окислов (медь и ее сплавы), получается покрытие, в котором трудно обнаружить следы металлизационных частиц.

Широкое применение на ремонтных предприятиях получила электродуговая металлизация (рис. 10.7). Две электрически изолированные друг от друга электродные проволоки 1 и 2, к которым подводится электрический ток, перемещаются механизмом подачи 3 со скоростью 2,5-3,5 м/мин. При выходе из наконечников 6 проволоки пересекаются и под действием возникающей при этом электрической дуги концы их расплавляются. Через сопло 7 подается струя сжатого воздуха под давлением 0,4 - 0,7 МПа, которая распыляет расплавленный металл на мельчайшие частицы. Частицы раскаленного металла, двигаясь со скоростью 75-200 м/с, наносятся на специально подготовленную поверхность детали 4, создавая напыленный слой 5. Размер частиц зависит от режима металлизации и природы напыляемого металла и обычно изменяется от 0,01 до 0,2-0,3 мм. Скорость струи сжатого воздуха (кривая I) быстро уменьшается по мере удаления от сопла и на расстоянии 200-300 мм оказывается ниже скорости частиц расплавленного металла (кривая II), движущихся по инерции. В связи с этим расстояние от сопла до металлизируемой поверхности должно быть 75-150 мм; в этом диапазоне скорость частиц металла наибольшая, что обеспечивает более высокое качество напыляемого слоя.

В комплект оборудования электрометаллизационной установки (рис. 10.8) входят электродуговой металлизатор 2, компрессор 11 с электродвигателем 12 для подачи сжатого воздуха, ресивер 10 для снижения пульсаций воздушного потока, фильтр 9 для очистки сжатого воздуха от масла и влаги и сварочный трансформатор 7 для питания электрической дуги током. Металлизацию ведут как на постоянном, так и на переменном токе. В первом случае в качестве источника электрической дуги применяют сварочные генераторы, во втором случае - сварочные трансформаторы. Промышленностью выпускается специальный трансформатор для металлизационных установок.

Для электродуговой металлизации выпускают стационарные и ручные металлизаторы.

К преимуществам элетрометаллизации следует отнести высокую производительность процесса. Основные недостатки электрометаллизации - значительное выгорание легирующих элементов, окисление напыляемого металла, низкие механические свойства напыленного слоя и большие потери металла при напылении. Электродуговые металлизаторы могут быть использованы для напыления сталей и цветных металлов.

Рис. 10.7. Схема электродуговой металлизации:

I – График скорости сжатого воздуха; II – график скорости частиц расплавленного металла; 1,2 – электродные проволоки;

3 – механизм подачи электродной проволоки; 4 – деталь; 5 – напыленный слой; 6 – наконечник; 7 - сопло

Рис. 10.8. Схема электрометаллизационной установки:

1 - деталь; 2 - электродуговой металлизатор; 3 - распыляемая проволока;

4 -барабан с проволокой; 5 - электропровод; 6 - воздухопровод; 7 - трансформатор; 8 - манометр; 9 - фильтр; 10 - ресивер; 11 - компрессор; 12 - электродвигатель

При газовой металлизации проволоку напыляемого металла расплавляют смесью, кислород + горючий газ, например ацетилен, а распыление осуществляют сжатым воздухом или инертным газом. Расход сжатого воздуха обычно составляет 0,6 - 0,8 м³/мин, давление 0,3 - 0,5 МПа. Давление ацетилена должно быть 0,004 - 0,06 МПа, а его расход 240 - 850 л/ч. Давление кислорода 0,2 - 0,7 МПа и расход 600 - 2100 л/ч. Напыляемые материалы используются в виде проволоки или порошка.

Применяемая для напыления проволока подается со скоростью 4,5 - 6,0 м/мин в распылительную головку с помощью специального подающего механизма, установленного в газометаллизаторе.

Схемы распылительных головок при использовании проволоки и порошка показаны на рис. 10.9. Через одно из отверстий в распылительную головку поступает смесь ацетилена с кислородом и по каналам направляется к соплу. Сжатый воздух поступает через другое отверстие. При выходе из сопла струя сжатого воздуха распыляет частицы расплавленного металла и наносит их на поверхность детали. Рекомендуемое расстояние от сопла до детали 100 - 250 мм. Для газовой металлизации выпускают металлизаторы инжекционного типа, используемые для работ вручную и на станках.

Газовая металлизация обеспечивает получение покрытий высокого качества. Выгорание легирующих элементов и содержание окислов в напыленном слое при газовой металлизации значительно меньше по сравнению с электрометаллизацией.

Недостатком газовой металлизации является необходимость в горючем газе и более высокая стоимость покрытия. Газовая металлизация широко используется для напыления тугоплавких сплавов и металлов, например титана.

Одним из прогрессивных методов является плазменно-дуговая металлизация. При пропускании электрического тока большой плотности через газовую среду, находящуюся под повышенным давлением, газ ионизируется. Наряду с положительно и отрицательно заряженными ионами в ионизированном газе содержатся электроны и нейтральные атомы.

Рис. 10.9. Схема проволочного (а) и порошкового (б) газопламенного напыления:

1 – проволока; 2 – газовое пламя; 3 – восстанавливаемая поверхность; 4 – напыляемый слой; 5 – диспергированные частицы напыляемого металла; 6 - сопло

Такое состояние вещества называется плазмой. Плазма обладает высокой электрической проводимостью и образует вокруг себя магнитное поле, которое заставляет частицы плазмы сжиматься и двигаться узким пучком. Плазменная струя служит интенсивным источником тепла; температура ее достигает 15000 °С.

На рис. 10.10 показана схема плазменной металлизации. Между вольфрамовым электродом 3, горелкой 4 и медным водоохлаждаемым соплом 5 создается дуговой разряд, который проходит в узком канале, также охлаждаемом водой.

Рис. 10.10. Схема плазменной металлизации:

1 - распыляемая проволока;

2 - наконечник для проволоки;

3 - вольфрамовый электрод;

4 - горелка;

5 - сопло

В канал горелки 4 подается инертный газ, который под действием электрической дуги ионизируется и выходит из сопла 5 в виде плазменной струи. В зону плазменной струи непрерывно подается напыляемый материал 1. Расплавленные плазмой частицы напыляемого металла увлекаются плазменной струей и с высокой скоростью напыляются на поверхность детали. Скорость потока плазмы достигает 9000 м/с.

В зависимости от схемы включения электрической цепи возможны различные виды плазменной дуги: открытая, закрытая и комбинированная (рис. 10.11). При плазменной металлизации применяется закрытая плазменная дуга, которая образуется, когда анодом является сопло.

Ремонтируемая деталь в цепь источника тока не включается. При указанной схеме включения электрической цепи температура на поверхности детали в процессе металлизации не превышает температуру плавления основного металла и, следовательно, поверхностный слой детали находится в твердом состоянии. В качестве источника постоянного тока обычно используют преобразователи или полупроводниковые выпрямители, в качестве плазмообразующего газа применяют аргон, азот, гелий, водород или их смеси. Рекомендуемое расстояние от сопла до детали 80 - 120 мм. Напыляемые материалы используются в виде проволоки или порошка.

Для плазменной металлизации промышленностью выпускаются стационарные и ручные установки.

Плазменную металлизацию обычно применяют для напыления тугоплавких металлов и их соединений, например, вольфрама, окиси алюминия, карбидов, боридов и цветных сплавов.

Рис. 10.11. Электрические схемы плазменно-дуговых установок:

а - закрытая; б - открытая; в - комбинированная

Применение плазмообразующих нейтральных газов предотвращает окисление напыляемых металлов. Плазменное напыление является производительным процессом. Достигается достаточно прочное сцепление напыленного слоя с металлом детали.

Основной недостаток плазменной металлизации - высокая хрупкость напыленного слоя.

При детонационной металлизации распыление порошкового материала производят на специальной установке (пушке) с использованием энергии, выделяющейся при мгновенном сгорании взрывчатой смеси. На рис. 10.12 показана схема установки для детонационного распыления порошкового материала. Она состоит из ствола 5, представляющего собой водоохлаждаемую трубу. Взрывная камера 3 служит для приема компонентов взрывчатой смеси и порошкового материала. Смесь подается из баллонов через смесительную камеру 4. Порошок транспортируется газом (азотом или воздухом) из питателя 1.

Рис. 10.12. Схема детонационной установки при технологии:

а - базовой; б - модернизированной; 1 - порошковый питатель; 2 - запальное устройство; 3 и 4 - взрывная и смесительная камеры; 5 - водоохлаждаемый ствол;

6 - напыляемое покрытие; 7 - деталь

Процесс детонационного напыления протекает следующим образом.

В рабочую (взрывную) камеру 3 установки поступает точно измеренное количество взрывчатой смеси (ацетилен + кислород или пропан-бутан + кислород) и взвешенных частиц порошкового материала. С помощью запального устройства 2 она воспламеняется. Из рабочей (взрывной) камеры пламя распространяется по стволу со скоростью (2 - 4)10³ м/с.

Продукты детонации увлекают за собой частицы порошка, которые кроме кинетической получают также тепловую энергию. Скорость выноса порошка (0,6 - 1,2)10³ м/с.

В зависимости от соотношения компонентов смеси можно изменять температуру (до 4000 °С) и скорость продуктов детонации. Наибольшая скорость достигается при содержании в ацетилено-кислородной смеси 50 % кислорода, а наибольшее тепловыделение при 71 % (по объему) кислорода. Ударяясь о поверхность детали, частицы порошка образуют плотный слой покрытия. Физико-химические свойства детонационных покрытий, как правило, превышают аналогичные характеристики покрытий, получаемых другими способами напыления.

На рис. 10.13 приведена схема процесса металлизации детали.

Предварительная механическая обработка необходима связи с тем, что восстанавливаемая поверхность может иметь неравномерный износ и в процессе металлизации покрытие будет копировать профиль поверхности, что приведет к неравномерной толщине напыленного слоя после окончательной механической обработки.

Чтобы обеспечить достаточную прочность сцепления напыленного слоя с основным металлом, необходимо придать восстанавливаемой поверхности шероховатость. Наиболее распространенными способами создания шероховатости являются нарезание рваной резьбы, нарезание круглой резьбы с обкаткой, накатывание поверхности накатниками, обдувка стальной или чугунной крошкой, нанесение частичек металла электросваркой и анодно-механическая обработка поверхности. Реже применяют насечку зубилом, нарезание круговых канавок, намотку проволоки и др.

Нарезание рваной резьбы, насечка зубилом и анодно-механическая обработка, обеспечивая хорошее сцепление напыленного слоя с металлом детали, снижают усталостную прочность и, следовательно, не могут быть использованы для подготовки деталей, работающих при циклических нагрузках. В последнем случае рекомендуется применять обдувку дробью и накатку.

Изоляцию участков, не подвергаемых металлизации, производят накладками из картона, бумаги или жести, шпоночные пазы заделывают временными деревянными пробками. Разрыв во времени между подготовкой поверхности и металлизацией не должен превышать двух часов, в противном случае происходит окисление поверхности, что снижает прочность сцепления.

Следует стремиться к напылению такого металла, коэффициент теплового расширения которого близок коэффициенту расширения металла детали.

Рис. 10.13. Схема технологического процесса металлизации поверхности детали

В напыленном слое при охлаждении происходит усадка, в результате чего возникают значительные остаточные напряжения. Это приводит к увеличению сцепления покрытия с основным металлом при металлизации наружных цилиндрических поверхностей. При металлизации внутренних поверхностей возникающие в слое остаточные напряжения приводят к образованию трещин и отслаиванию покрытия. Напряжения в напыленном слое возрастают с увеличением его толщины. Последовательное нанесение металлизационного покрытия тонкими слоями (0,05 - 0,1 мм) с охлаждением каждого слоя, применение в качестве материала для напыления сталей с повышенным содержанием углерода (0,7 %) и предварительный подогрев поверхности детали до 270 - 370°С позволяют избежать трещин и повысить прочность сцепления. С целью повышения сцепления покрытия с металлом детали используют для дутья инертные газы вместо воздуха, проводят термическую обработку после металлизации и применяют подслой из легкоплавких металлов и сплавов.

Внутренние цилиндрические поверхности металлизируют с предварительным подогревом до 100 - 150°С, что обеспечивает лучшее сцепление покрытия с металлизируемой поверхностью детали вследствие уменьшения остаточных напряжений.

После металлизации производят механическую и термическую обработку детали для получения необходимых размеров и качества восстанавливаемой поверхности.

Для более прочного сцепления покрытия с материалом детали рекомендуется, чтобы толщина напыленного слоя после окончательной обработки была не менее 0,6 мм при диаметре поверхности детали до 25 мм и 0,95 - 1,0 мм при большем диаметре.

Учитывая невысокие механические свойства напыленного слоя, механическую обработку следует производить после полного остывания детали на пониженных режимах и специально заточенным режущим инструментом.

К преимуществам металлизации относятся: высокая производительность и экономичность процесса, повышенная твердость покрытия по сравнению с исходной твердостью напыляемого металла (для стали на 30 - 40 %), возможность получения покрытия толщиной до 10 - 15 мм, проведение процесса без нагревания детали (что позволяет напылять металл на поверхность деталей из пластмассы, дерева, картона и других материалов), повышенная износостойкость покрытий при жидкостном трении, вследствие впитывания масла в пористый напыленный слой. Металлизация имеет существенные недостатки, а именно: невысокая прочность сцепления напыленного слоя с металлом детали, неоднородность покрытия из-за значительного содержания окислов, малая износостойкость покрытия при недостатке смазки, так как покрытие в этом случае выкрашивается, снижение усталостной прочности ремонтируемой детали до 50 % (в зависимости от способа подготовки поверхности).

Металлизацию применяют для восстановления изношенных плоских, цилиндрических наружных и внутренних поверхностей, получения антифрикционных и коррозионностойких покрытий и восстановления неподвижных посадок.

Дата добавления: 2014-01-04