Размеры капель (%) при изменении силы тока

Вследствие того, что эффективная мощность для плавления метала Э_пм соответствует известному выражению (3.75) в электродуговом металлизаторе, работающем на переменном токе, процесс металлизации приобретает «пульсирующий» характер:

, (3.75)

где Э_пм – мощность электродугового устройства для плавления металла;
I – сила тока в электрической цепи (ампер); V – напряжение в электрической цепи (вольт); h_т – КПД, определяющий долю полезной мощности в электродуговом металлизаторе.

Следовательно, электродуговые металлизаторы на переменном токе, имеющие относительно невысокую стоимость, простоту обслуживания и небольшие эксплуатационные расходы, не обеспечивают строгого постоянства процессов металлизации вследствие периодического изменения размеров капель по частоте тока. Это приводит к определенным ограничениям применимости электродуговых металлизаторов переменного тока при восстановлении ответственных рабочих поверхностей деталей методами электродуговой металлизации. Электрометаллизаторы, работающие на постоянном токе, не имеют указанных недостатков при условии отсутствия пульсаций по величинам токов (I) и напряжений V в рабочей электрической цепи. Температуры плавления металлизационных материалов – проволок – при электрометаллизации составляет 2200…2800 °С. В состав металлизационных материалов возможно введение легирующих добавок и увеличенного количества углерода (С) для повышения свойств напыленного слоя. Как известно, в электродуговых металлизаторх переменного тока используют две электродные проволоки, между которыми формируется электрическая дуга и поток сжатого воздуха уносит расплавленные частицы металла, формируя металлизационный конус. Диаметры проволок, как правило, составляют (1,2…2,5) мм, скорость их подачи – (0,6…1,5) метров в минуту, давление распыливающего воздуха – (0,4…0,6) МПа, размеры частиц – (10…150) мкм, температура капель металла при выходе из сопла – (0,85…0,95)t_пл, где t_пл – температура плавления металла, образующего конус. Сила тока находится в пределах (110…250) А для переменного тока или (55…160) А для постоянного тока, напряжение питания дуги – (25…35) В, высота металлизационного конуса – (80…120) мм. Время полета металлизационной частицы от сопла до детали составляет »0,02 с, что обеспечивает хорошее сцепление с материалом детали при попадании капель на поверхность металла с их последующим расплющиванием на данной поверхности. При этом окислы, образовавшиеся на поверхности капель при полете в объеме конуса, разрушаются при ударах металлизационных частиц о поверхность материала ремонтируемой детали. Твердость металлизационного покрытия обычно на (70…80) % выше твердости металлизационной проволоки, что объясняется закалкой и упрочнением напыленного металла при соударении частиц с деталью. Электрометаллизаторы выпускаются двух типов: станочного, для установки на станках, и ручного, для ручной металлизации. Максимальная их производительность составляет до 15 кг/ч (станочные) и до 8 кг/ч (ручные металлизаторы). Для нанесения металлопокрытий композиционного состава кроме «двухпроволочных» используют также «трехпроволочные» металлизаторы, все электродные проволоки в них имеют разный состав.

При высокочастной металлизации, схема которой была описана ранее, нагрев металлизационной проволоки в кольцевом внутреннем объеме высокочастотного индуктора определяется частотой тока f_и (Гц):

, (3.76)

где d – диаметр металлизационной проволоки (мм); К_и – коэффициент использования энергии высокочастотного индуктора, зависящий от материалов проволоки и их свойств при заданной температуре нагрева (для проволоки ст.45
К_и @ 20000). Индукционная высокочастотная головка снабжена так называемым «концентратором вихревого тока», т.е. устройством, концентрирующим магнитные поля в зоне плавления проволоки. Сама головка металлизатора представляет собой высокочастотный трансформатор, где первичная обмотка находится в индукторе, а вторичная – в концентраторе тока. В таких металлизаторах используют проволоку диаметром (4…5) мм, при частоте тока для стальной высокоуглеродистой проволоки по выражению (3.76) частота тока соответствует (80…125000) Гц. Коэффициент использования материала проволоки достигает 70 %, температура плавления проволоки может достигать 3000…3500 °С.

Существенной особенностью использования высокочастотных металлизаторов является наличие довольно сильных магнитных полей, сопровождающих функционирование данного технологического процесса.

Для исключения вредного влияния действия тока высокой частоты на организм человека после установки ремонтируемой детали в рабочее положение электрические цепи устройств необходимо включать дистанционно, при этом обслуживающий персонал должен находиться в закрытом экранированном помещении, из которого операторы ведут наблюдение за осуществлением технологического процесса.

При плазменной металлизации используют «однопроволочные» схемы, где при проходе через центральное отверстие плазменно-дуговой металлизационной головки металлизатора металл плавится под воздействием энергии объемного электрического разряда в форме толстостенного короткого конуса или в форме тора. Температура плазмы в зоне теплового воздействия достигает (10…18000) °С, а в металлизаторах большого размера – до 25000 °С.

Плазма – четвертое состояние вещества – представляет собой смесь электронов, протонов и нейтронов в потоке так называемой «плазменной струи», которая под действием распыляющего жидкий металл воздуха и образует металлизационный конус. Вследствие того, что температура плавления в плазменном металлизаторе может доходить до (5000…6000) °С и выше, работа плазменных металлизаторов сопровождается образованием очень сильных магнитных полей возле металлизационной установки, гораздо более высокой напряженности, чем в высокочастотных металлизаторах. Это требует усиления мер по охране труда и осуществлению техники безопасности, даже по сравнению с высокочастотной металлизацией. Ручные плазменные металлизаторы могут использоваться только с защитными экранами, входящими в состав их конструкций, с обязательным соблюдением мер промышленной безопасности при их использовании, указанных в инструкциях заводов-изготовителей.

Скорость потока плазмы достигает 9000 м/с, а скорость теплоподачи в 6…8 раз выше, чем у других типов металлизаторов.

Газовые плазменные металлизаторы могут использовать в качестве плазмообразующего материала аргон, гелий и их смеси с водородом при использовании порошковых и проволочных исходных материалов. Для плавления материалов используют газовые плазменные головки в качестве главной части газо-плазменного металлизатора. В этом случае можно применить три вида плазменного электрического разряда: открытый (анодом служит деталь), закрытый (анодом является сопло) и комбинированный (анодом служит и сопло, и деталь). Плазмообразующий газ подают в зону коронного разряда вместе с металлизационным порошком или проволокой.

После металлизации рабочие поверхности восстанавливаемых деталей подвергают механической обработке, вначале предварительной, затем – окончательной.

Обычно процесс металлизации обеспечивает хорошие результаты, но требует специальной технологической отладки. Так, например, на одном из предприятий г. Н. Новгорода был создан специальный участок металлизации для восстановления изношенных автомобильных деталей. Там производилось напыление металла на рабочие поверхности различных двигателей, в том числе и для коленчатых валов, посадочных поверхностей «мокрых» вставных гильз цилиндров и тому подобных деталей. При этом наблюдались отдельные случаи отслоения металлизационного слоя от восстанавливаемой поверхности. Анализ причин этого явления, проведенный на автомобильном факультете НГТУ, показал, что причиной недостаточного сцепления нанесенного слоя с материалом восстанавливаемой детали явилось наличие остаточных загрязнений в порах усталостных микротрещин на восстанавливаемых поверхностях. Как показало проведенное исследование, данные загрязнения не устранялись при проведении операций обезжиривания, травления и мойки восстанавливаемых деталей перед проведением операции металлизации. Увеличение глубины предварительной механической обработки поверхностей под металлизацию исключило появление данного дефекта.