Восстановление деталей

Введение

Основная задача, которую преследуют ремонтные предприятия, это снижение себестоимости ремонта автомобилей и агрегатов при обеспечении гарантий потребителей, т. е. гарантии послеремонтного ресурса.

Исследования ремонтного фонда (автомобилей  и агрегатов, поступающих в ремонт) показали, что в среднем около 20 % деталей — утильных, 25...40% — годных, а остальные 40...55 % — можно восстановить.

Технологии восстановления деталей  относятся к разряду наиболее ресурсосберегающих, так как по сравнению с изготовлением новых деталей сокращаются затраты (на 70 %). Основным источником экономии ресурсов являются затраты на материалы. Средние затраты на материалы при изготовлении деталей составляют 38%, а при восстановлении — 6,6 % от общей себестоимости. Для восстановления работоспособности изношенных деталей требуется в 5...8 раз меньше технологических операций по сравнению с изготовлением новых деталей.

Основное количество отказов деталей  автомобилей вызвано износом  рабочих поверхностей — до 50%, 17,1% связано с повреждениями и 7,8 % вызвано трещинами. Основное место среди всех отказов автомобилей занимает двигатель — это до 43 % отказов. Примерно 85 % деталей восстанавливают при износе не более 0,3 мм, т.е. их работоспособность восстанавливается при нанесении покрытия незначительной толщины. Нанесение металла на несущие поверхности с последующей механической обработкой позволяет многократно использовать деталь.

 

 

 

 

 

 

 

Способы плазменного напыления  и применяемые материалы

Рис. 1. Схема плазменного  напыления порошком: 1 — подвод плазмообразующего газа; 2 — катод плазмотрона; 3 — корпус катода; 4 — изолятор; 5 — корпус анода; 6 — порошковый питатель; 7 — подвод газа, транспортирующего порошок; 8 — плазменная дуга; 9 — источник питания

 

Плазменное напыление  является одним из способов газотермического нанесения покрытий. В основе этого процесса лежит нагрев напыляемого материала до жидкого или пластического состояния, перенос его высокотемпературной плазменной струей к детали с последующим образованием слоя покрытия.

При плазменном напылении  в качестве напыляющих материалов применяют  порошки, проволоки, прутки. Наиболее широко распространено напыление порошками. Схема плазменного напыления с использованием порошковых материалов показана на рис. 1. В плазмотроне, состоящем из водоохлаждаемого катодного узла (катод 2 и корпус 3) и анодного узла, с помощью источника 9 постоянного сварочного тока возбуждается плазме иная дуга 8, которая стабилизируется стенками канала сопла и плазмообразующим газом, поступающим через подвод 1. Порошок подают из порошкового питателя 6 с помощью газа, который поступает по подводу 7.

Температура плазменной струи  достигает 5000-55000 °С, а скорость истечения — 1000-3000 м/с. В плазменной струе частицы порошка расплавляются и приобретают скорость 50-500 м/с. Скорость полета частиц порошка зависит от их размера, плотности материала, силы сварочного тока дуги, природы и расхода плазмообразующего газа, конструкции плазмотрона. Порошок вводят в плазменную струю ниже среза сопла, на срез сопла или непосредственно в сопло. Нагрев напыляемых деталей не превышает 100-200 °С.

Рис. 2. Схема структуры плазменного покрытия: 1 — граница между частицами напыленного материала;

2. — граница между слоями;
3. — граница между покрытием

и деталью; 4 —  частица напыленного материала; 5 — поверхность детали

К преимуществам способа  плазменного напыления относят  возможность получения покрытий из большинства материалов, плавящихся без разложения и ограничения по температуре плавления. Производительность плазменного напыления достаточно высока: 3-20 кг/ч для плазмотронов с электрической мощностью 30-40 кВт и 50-80 кг/ч для плазмотронов мощностью 150-200 кВт.

Плазменным напылением наносят покрытия как на плоские поверхности, так и на тела вращения и криволинейные поверхности. Для покрытия характерна слоистая структура с высокой неоднородностью физических и механических свойств (рис. 2). Тип связей между покрытием и деталью, а также между частицами покрытия обычно смешанный — механическое сцепление, сила физического и химического взаимодействий. Прочность сцепления покрытия с подложкой обычно составляет 10-50 МПа при испытаниях на нормальный отрыв.

Физические особенности  формирования покрытий обуславливают  появление открытой и закрытой пористостей. По мере увеличения толщины наносимого слоя открытые поры перекрываются, и пористость покрытия снижается. Поэтому плотность плазменных покрытий отличается от плотности материала и колеблется в пределах 80-97%. Обычно пористость плазменных покрытий составляет 10-15%.

Толщина покрытия практически  не ограничена возможностями самого способа. Однако в силу физических особенностей процесса образования покрытий с увеличением толщины наносимого слоя в нем возрастают внутренние напряжения, которые стремятся оторвать покрытие от подложки. Поэтому обычно толщина покрытия не превышает 1 мм. Конструктивную нагрузку несет материал детали, а материал покрытия придает поверхности детали такие свойства, как твердость, износостойкость и т. п.

Рис. 3. Схема плазменного напыления проволокой: 1 — подвод плазмообра- зующего газа; 2 — катод плазмотрона; 3 — корпус катода; 4 — изолятор; 5 — корпус анода; 6 — механизм подачи проволоки; 7 — сплошная или порошковая проволока; 8 — плазменная дуга; 9 — источник питания

В качестве плазмообразующих газов применяют аргон, азот высокой чистоты, водород, гелий, а также смеси этих и других газов. В последние десятилетия успешно развиваются процессы плазменного напыления с использованием в качестве плазмообразующего газа смеси воздуха с горючим углеводородным газом (метаном, пропан-бутаном). Плазма продуктов сгорания воздуха с горючим углеводородным газом отличается высокими значениями теплоемкости и теплопроводности, легкостью регулирования окислительно-восстановительного потенциала и относительно малой стоимостью. Это особенно важно при увеличении мощности плазмотрона и переходе к сверхзвуковым скоростям истечения плазмы, когда оптимальные режимы смешают в область больших расходов плазмо- образующего газа и снижается время контакта частиц с окружающей атмосферой.

Для генерирования плазмы используют различные плазмотроны. Реализуемые в конкретной конструкции диапазон и уровень удельных мощностей характеризуют эффективность преобразования электрической энергии дуги в тепловую плазменной струи, а также технологические возможности плазмотрона. В диапазоне мощности до 50 кВт для напыления могут быть использованы плазмотроны с автогазодинамической стабилизацией дуги, обеспечивающие достаточно высокий КПД (75-80%) и хорошие эксплуатационные характеристики. Диапазон более высоких мощностей (50-150 кВт) охватывают плазмотроны с одиночной межэлектродной вставкой (МЭВ).

Задача разработки технологического плазмотрона всегда сводится к созданию относительно простой, ремонтопригодной конструкции, обеспечивающей стабильную длительную работу в широком диапазоне  изменения сварочного тока дуги, расхода  и состава плазмообразующего  газа, а также генерирование плазменной струи с воспроизводимыми параметрами, что позволяет эффективно обрабатывать материалы с различными свойствами.

В практике напыления применяют  как однородные порошки различных материалов (металлов, сплавов, оксидов, бескислородных тугоплавких соединений), так и композиционные, а также механические смеси указанных материалов.

Применяемые для напыления  порошки не должны разлагаться или  возгоняться в процессе напыления, а должны иметь достаточную разницу между температурами плавления и кипения (не менее 200 °С).

В качестве напыляемого материала при плазменном напылении используют также проволоки. Плазменное напыление с распылением проволоки (рис. 3) осуществляют двумя способами: нейтральной проволокой и проволокой-анодом. В первом случае нагрев, плавление и распыление нейтральной проволоки осуществляют плазменной струей, а во втором — на проволоку-анод подают положительный потенциал источника питания дуги, а нагрев и плавление проволоки происходят преимущественно за счет выделения теплоты в анодном пятне. Плазменная струя, в основном, выполняет функции распыления.

На рис. 4 показана схема плазменно-дугового напыления покрытий токоведущей проволокой с одновременной зачисткой слоев металлической щеткой. Напыление осуществляют слоями толщиной 0,05-0,10 мм с одновременной обработкой каждого последующего слоя специальной вращающейся металлической щеткой. Непрерывная механическая обработка поверхностного слоя основы, совмещенная во времени с процессом напыления, обеспечивает благоприятные условия для напыления покрытий большой толщины (15-20 мм).

Прочность покрытия на отрыв 40-55 МПа. Плотность покрытия, полученного путем распыления проволок из стали 65Г, — 93-96% плотности исходного материала, а покрытия из проволоки 04Х20Н11МЗДТ — 98%. Пористость покрытий 1-4%. Производительность процесса 2-10 кг/ч.

Технология плазменно-дугового напыления токоведущей проволокой позволяет наносить покрытия на металлические  изделия любой проволокой, в том числе порошковой и проволокой из цветных металлов и сплавов; на многослойные покрытия из различных материалов, в том числе антикоррозионные покрытия; на металлические покрытия и неметаллические изделия (пластмассы, графит и т. д.); на композитные покрытия одновременным распылением нескольких проволок различного состава; на покрытия внутренних поверхностей тел вращения диаметром более 200 мм.

 

Применение плазменных установок  мощностью 30-60 кВт для напыления мелких деталей, узких кромок или дорожек ведет к большим потерям напыляемого материала и необходимости введения дополнительных операций. Для устранения этих недостатков предложен способ микроплазменного напыления. Его осуществляют квазиламинарной плазменной струей, образованной плазмотроном мощностью до 2 кВт при силе сварочного тока 20-50 А. Способ позволяет напылять узкие дорожки шириной 1-3 мм при толщине 0,2-0,5 мм из различных материалов. 

Рис. 4. Схема плазменно-дугового напыления покрытий проволокой: 1 — изделие; 2 — поток частиц напыляемого материала;

3. — плазмообразующее сопло;
4. — сжатый воздух; 5 — катод; б — плазмотрон; 7 — ппазмо- образующий газ; 8 — источник питания;
9. — балластное сопротивление;
5. — распыляемая про волока; 11 — подающий механизм; 12 — кассета с проволокой; 13 — покрытие; 14 — вращающаяся металлическая

При микроплазменном напылении  на коротких дистанциях никелевого самофлюсующегося сплава с температурой плавления  около 1000 °С одновременно происходит процесс  оплавления с образованием плотной, литой структуры покрытия. Низкая тепловая мощность микроплазменной струи позволяет уменьшить нагрев основы, что обеспечивает нанесение покрытий на изделия малых размеров и с тонкими стенками без существенного локального перегрева и коробления. Уровень шума при напылении ламинарной плазменной струей составляет 30-50 дБ.

При микроплазменном напылении используют также проволочные материалы. Таким способом напыляют покрытия из стальной, медной, вольфрамовой и нихромовой проволок.

Одним из способов, позволяющих  повысить качество газотермических покрытий, особенно из металлов и материалов, подверженных разложению, окислению, азотированию, является плазменное нанесение покрытий в камере с контролируемой по составу и давлению средой. Для этих целей применяют также защитные сопловые насадки, создающие закрытое пространство между распылителем и изделием, заполненное плазмообразующим или защитным газами.

Лучшие результаты получают при плазменном напылении покрытий в динамическом вакууме. При этом истечение струи происходит в вакуумную камеру, из которой непрерывно откачивают рабочие газы, причем скорость струи превышает скорость звука в 2-3 раза, скорость напыляемых частиц материала увеличивают до 800 м/с. Получают более плотные, чем обычно покрытия, характеризующиеся прочным сцеплением с основным материалом детали.

Необходимо подчеркнуть, что использование сверхзвуковых  струй при газотермическом напылении  является одним из главных направлений современного развития этой технологии. Повышение скорости и кинетической энергии частиц напыляемого материала позволяет, с одной стороны, улучшить условия формирования покрытий, а с другой — ограничить вредное воздействие окружающей среды и снизить интенсивность процессов термического разложения материалов.

В мировой практике сверхзвуковое  плазменное напыление реализуют с помощью установок «Plazjet-ll-200». В качестве рабочего газа используют азот или смесь азота с водородом и аргоном. При мощности установки 200 кВт температура струи достигает 6600 °С, скорость частиц в 6-8 раз выше, чем при обычном напылении. Расход порошка составляет до 12 кг/ч оксида алюминия и 40 кг/ч карбида вольфрама.

Специалистами Института  электросварки им. Е. О. Патона и Института газа разработаны технология и оборудование для сверхзвукового напыления с использованием плазмы продуктов сгорания углеводородных газов с воздухом. Плазмотрон генерирует слаборасширенную струю плазмы продуктов сгорания со степенью недорасширения 1,1-3,0 м и скоростью истечения до 3000 м/с. Измерения показали, что скорость частиц на дистанции напыления 250-300 мм в случае использования порошка WC-12 Со составила 480 м/с, оксида алюминия — 420 м/с, оксида хрома — 430 м/с, железоникелевого сплава — 500 м/с.

Существует возможность  регулировать температуру в пределах 3500-6500 К, что позволяет эффективно напылять как легкоплавкие материалы (алюминий и его сплавы), так и тугоплавкие (например, диоксид циркония). Пористость покрытия на оптимальных режимах составляет 0,5-3,0%, а прочность сцепления — 60-120 МПа. Производительность напыления оксида алюминия достигает 20 кг/ч, а вольфрам- кобальтовых твердых сплавов — 40 кг/ч.