Практическая работа №4. Восстановление изношенных поверхностей детали методами напыления

Цель работы: используя данные и справочные материалы, рассчитать режимы технологического процесса восстановления детали поверхностным напылением

4.1. Теоретические сведения

Напыление является одним из способов нанесения металлических покрытий на изношенные поверхности восстанавливаемых деталей. Сущность процесса заключается в том что предварительно расплавленный металл наносится на специально подготовленную поверхность посредством сжатого газа или воздуха.
В зависимости от вида используемой различают следующие способы напыления:
1. Газопламенное;
2. Электродуговое;
3. Высокочастотное;
4. Детонационное;
5. Ионоплазменное.

Достоинства: высокая производительность, небольшой нагрев детали (120-180° C), высокая износостойкость покрытия, простота технологического процесса, возможность нанесения покрытий от 0,1 до 10 мм из любых металлов и сплавов.

Недостатки: пониженная механическая прочность покрытия, невысокая прочность сцепления покрытия с поверхность детали.

Технологический процесс восстановления изношенной детали в общем виде можно представить в виде схемы (рисунок 4.1).

В условиях мелкосерийного и среднесерийного ремонтного производства для восстановления детали предлагается использовать газотермическое напыление, которое обеспечивает сохранение твердой фазы материала во время его нанесения.

В качестве исходного материала при нанесении покрытий целесообразно использовать металлические порошки. Это позволяет регулировать в широких пределах химический и фазовый состав покрытия смешиванием в исходном состоянии различных порошков.

Рисунок 4.1. Схема техпроцесса напыления изделия

Сущность напыления материала заключается в нагреве диспергированного материала, переносе его движущейся средой, ударе о восстанавливаемую поверхность, деформировании и закреплении. Напыляемый материал нагревается за счет теплообмена с высокотемпературной средой. Особенность напыления состоит в том, что поверхность основного металла не плавится, нагревается незначительно (до температуры 150º…250º), что обеспечивает незначительную деформацию детали

По удельным затратам на единицу массы покрытия наименее затратным является электродуговой способ напыления, второе место занимает газопламенный способ.

Рисунок 4.2 Газопламенное напыление порошковых материалов.

Основа процесса газопламенного нанесения покрытия — пластификация порошка в высокотемпературном источнике тепла (ацетилено-кислородном пламени) и нанесение его газовыми потоками на предварительно подготовленную изношенную поверхность.

Преимущества газопламенного нанесения состоят в высокой производительности процесса, локальности обработки, незначительном влиянии на подложку, возможности нанесения покрытий на изделия больших размеров, отсутствии ограничений на сочетания материалов покрытия и подложки, что позволяет охватить большую номенклатуру восстановления изношенных деталей. Рассматриваемый способ позволяет, восстанавливать детали типа тел вращения с износом до 2,5 мм на сторону. Восстановленные детали устойчивы против коррозии, абразивного изнашивания, действия высоких температур

Принципиальная схема газотермического напыления показана на рисунке 4.2.

Рисунок 4.2. - Схема процессов газотермического напыления для проволочных (верхняя часть рисунка) и порошковых материалов:

А — область нагрева исходного материала до начала плавления; Б — область нагрева до полного плавления; В — область движения частиц материала в расплавленном состоянии (воз­можны перегрев, испарение); Г — распылительная газотермическая головка (горелка); О — основа; П — покрытие; 1 — твердая частица порошка; 2 — частица, расплавленная не полностью; 3 — расплавленная частица (капля); 4 — испаряющаяся (перегреваемая) капля (частица); 5 — центральное пятно; 6,7 — среднее и периферийное кольца пятна напыления

Верхняя часть рисунка показывает распыление проволочного материала, нижняя — напыляемого порошка. Проволочный материал поступает в высокотемпературный поток газов в расплавленном состоянии, при напылении из порошков — в твердом состоянии.

Частица порошка (нижняя часть) на участке А нагревается до температуры плавления. На участке В частицы плавятся и превращаются в жидкие капли металла. При движении жидких капель на участке В может происходить перегрев и частичное испарение капель.

Струя сжатого воздуха (или другого газа-носителя) распыляет каплю расплавленного металла на мельчайшие частицы, сообщает им значительные ускорения, под действием которых происходит разгон частиц, формирование распыленных частиц по величине и конфигурации. Для более полного сцепления с поверхностью деталь подвергают предварительному нагреву до температуры 200-300º С.

При применении процесса напыления 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.

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. 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.

По затратам на электроэнергию наименее затратным является газопламенный способ напыления, по трудоемкости газопламенный способ и электродуговой способ напыления примерно равны.

Детонационное напыление имеет наибольшую скорость частиц напыляемого материала, но малый коэффициент использования напыляемого материала (0,3…0,6) и повышенную опасность.

Наиболее простое и наименее дорогостоящее оборудование применяется при газопламенном способе напыления, однако, его производительность несколько ниже, чем электродугового и плазменного.

Проанализировав способы напыления, для восстановления поверхностей рассматриваемой детали, выбираем способ газопламенного напыления порошкового материала.

В качестве исходного материала при нанесении покрытий целесообразно использовать металлические порошки. Это позволяет регулировать в широких пределах химический и фазовый состав покрытия смешиванием в исходном состоянии различных порошков.

Сущность напыления материала заключается в нагреве диспергированного материала, переносе его движущейся средой, ударе о восстанавливаемую поверхность, деформировании и закреплении. Напыляемый материал нагревается за счет теплообмена с высокотемпературной средой. Особенность напыления состоит в том, что поверхность основного металла не плавится, нагревается незначительно (до температуры 150º…250º), что обеспечивает незначительную деформацию детали.

По удельным затратам на единицу массы покрытия наименее затратным является электродуговой способ напыления, второе место занимает газопламенный способ.

По затратам на электроэнергию наименее затратным является газопламенный способ напыления, по трудоемкости газопламенный способ и электродуговой способ напыления примерно равны.

Детонационное напыление имеет наибольшую скорость частиц напыляемого материала, но малый коэффициент использования напыляемого материала (0,3…0,6) и повышенную опасность.

Наиболее простое и наименее дорогостоящее оборудование применяется при газопламенном способе напыления, однако, его производительность несколько ниже, чем электродугового и плазменного.

Проанализировав способы напыления, для восстановления поверхностей рассматриваемой детали, выбираем способ газопламенного напыления порошкового материала.

В зависимости от диаметра восстанавливаемой детали определяется сила тока и диаметр наплавочной проволоки (таблица 4 Приложения).

Далее, толщина наплавляемого слоя определяется по формуле:

, (4.1)

где - толщина слоя, мм;

- припуск на обработку перед покрытием, мм (принять =0,2 мм);

- припуск на обработку после покрытия, мм (для наплавки в среде углекислого газа =0,7 мм).

Скорость наплавки определяется по формуле:

, (4.2)

где - скорость наплавки, м/ч;

- коэффициент наплавки, г/АЧ;

- сила тока, А; - шаг наплавки, мм/об ( );

- диаметр проволоки, мм;

- плотность проволоки, г/см³ ( =7,85 г/см³).

Частота вращения детали определяется по формуле:

, (4.3)

где - частота вращения детали, мин^-1;

- диаметр детали, мм.

К числу важных механических параметров, кроме величины вибрации, вылета электрода и состава охлаждающей жидкости, о которых говорилось ранее, относятся скорость подачи электродной проволоки, продольная подача головки (шаг наплавки) и расход охлаждающей жидкости.

Скорость подачи проволоки определяется по формуле:

, (4.4)

где - скорость подачи проволоки, м/ч.

Смещение электрода определяется по формуле:

. (4.5)