Восстановление деталей

В настоящее время сверхзвуковое  плазменное напыление находит все  более широкое применение. Технологический  процесс нанесения плазменных покрытий в зависимости от условий и типа производства, конструктивных особенностей обрабатываемых изделий и покрытий содержит различные операции и технологические приемы, которые могут быть объединены в следующие группы:

• подготовка поверхности деталей к нанесению плазменных покрытий;
• технология нанесения плазменных покрытий и дополнительная обработка нанесенных покрытий для улучшения их свойств; 
• размерная обработка покрытий.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Подготовка поверхности  деталей к нанесению плазменных покрытий

 

Размеры деталей должны быть уменьшены на толщину напыляемых покрытий, которую выбирают, руководствуясь рекомендациями. Участок поверхности изделия, подлежащий напылению, должен иметь плавные переходы к примыкающим поверхностям либо соответствующую конфигурацию. Покрытия на пазы и глухие отверстия следует наносить при отношении ширины или диаметра отверстия к его глубине не менее 2 мм.

Степень очистки поверхности  деталей от загрязнения во многом определяет качество нанесенных покрытий. Наличие на поверхности грязи, оксидных пленок, масла, уменьшается прочность  сцепления покрытия с металлом детали, и это может послужить причиной неисправимого брака. Особое внимание уделяют восстанавливаемым деталям, имеющим почвенные загрязнения, остатки топливно-смазочных материалов и продукты коррозии. Очистку производят различными способами: механическим, струйным, погружением, циркуляционным, комбинированным и др.

При подготовке поверхность  обезжиривают органическими растворителями, моющими составами, щелочными растворами и эмульсиями по ГОСТ 9-402-80, затем промывают водой. После этого детали сушат в сушильном шкафу при температуре 60-150 °С или обдувают сжатым воздухом.

В отдельных случаях применяют  обезжиривание с помощью протирочного материала, смоченного уайт-спиритом или бензином, с соблюдением соответствующих правил промсанитарии и противопожарной безопасности. Детали, содержащие глубокие пазы, масляные каналы и другие места, затрудняющие удаление загрязнений, кроме поверхностного обезжиривания подвергают нагреву в печи при температуре 220-340 °С в течение 2-3 ч для выгорания масла.

Предварительная обработка  деталей перед напылением включает также активацию поверхности, которая  состоит в создании определенной шероховатости, влияющей на прочность сцепления посредством изменения интенсивности физико-химического взаимодействия контактирующих материалов. Механическое сцепление напыляемых частиц с основой происходит за счет их растекания и заклинивания. Поэтому прочность сцепления во многом определяется параметрами шероховатости поверхности (Ra — среднеарифметическое отклонение профиля микрорельефа; Rz — высота неровностей микрорельефа).

Установлено, что прочность  сцепления покрытия при различных  способах предварительной обработки  основы изменяется. Деформирование и растекание напыляемых частиц на шероховатой поверхности зависит от топографии поверхности и, прежде всего, от шага неровностей. Если впадина слишком узкая, то напыляемая частица будет затекать в смежную впадину. При слишком широкой впадине малые напыляемые частицы могут не заклиниваться в ней и разбрызгиваться. Покрытие формируется преимущественно в канавках. На выступах образуется слой относительно меньшей толщины.

Активацию поверхности осуществляют различными способами. Однако наиболее распространены пневмоструйная обработка  и нарезание рваной резьбы. При пневмоструйной обработке происходит преобразование энергии сжатого воздуха в кинетическую энергию металлической дроби или абразива. Струя дроби или абразива характеризуется скоростью и углом рассеивания. Пространственный угол рассеивания струи дроби при выходе из сопла дробеструйного аппарата является постоянной величиной, составляющей 28-30°. Скорость дроби зависит от скорости энергоносителя (сжатого воздуха), длины разгонного участка сопла, размеров, формы и массы дроби.

При прочих равных условиях дробь с меньшей массой имеет  большую начальную скорость, равно как и дробь с большим поперечным сечением. При одинаковых значениях давления сжатого воздуха и твердости поверхности ее микропрофиль является функцией вида и размера применяемой дроби. Степень воздействия дробинки или любой другой частицы абразива на поверхность зависит от скорости ее полета и массы.

Параметры технологического процесса пневмоструйной обработки  зависят от физико-механических свойств  абразива, давления сжатого воздуха, скорости его истечения из сопла, расстояния до обрабатываемой поверхности, а также от физико-механических свойств обрабатываемого материала.

При контакте абразивных зерен  с обрабатываемой поверхностью часть  их врезается в металл, снимая стружку, вторая — скользит по поверхности, а третья часть зерен, попадая на металлическую поверхность, выдавливает металл в стороны.

На параметры процесса струйно-абразивной обработки влияет концентрация абразивно-воздушной  смеси, т. е. отношение массы воздуха, проходящего через сопло в единицу времени, к массе абразива, выбрасываемого соплом за этот период. Концентрация абразивной смеси зависит от зернистости и марки абразива, ее значение может колебаться в пределах 0,8-4,0 кг/кг. Наибольший удельный съем металла получают при высоких концентрациях абразива в струе. Однако большая насыщенность абразивного потока ведет к увеличению изнашивания абразива.

Обычно в качестве абразивных материалов при плазменном напылении используют электрокорунд зернистостью 80-150 по ГОСТ 3647-80 или металлическую дробь ДЧК, ДСК №01, 02, 03, 05 по ГОСТ 11964-81Е.

Металлическую дробь применяют  для обработки материалов с твердостью до 50 HRC₃. Она не пригодна для подготовки поверхности под напыление жаростойких и коррозионно-стойких покрытий, а также для деталей, изготовленных из цветных металлов и сплавов.

Детали, подвергаемые струйно-абразивной обработке, должны иметь комнатную  температуру. Шероховатость поверхности  после обработки должна быть Rz=10...60 мкм в зависимости от материала детали. Участки поверхности детали, не подлежащие напылению, должны быть защищены экранами или другими приспособлениями. Зона обработки должна быть на 5±2 мм больше зоны напыления. При толщине стенки детали менее 0,5 мм необходимо применять специальные приспособления и соблюдать меры предосторожности, исключающие чрезмерное снятие материала детали и ее коробление. После абразивно-струйной обработки деталь обдувают сжатым воздухом для удаления частиц абразива. Угол атаки струи абразива (угол между осью струи абразива и плоскостью очистки) изменяют от 30 до 90°. Для очистки поверхности мягких материалов рекомендуют меньшие значения угла, а для очистки поверхности более твердых — большие.

При давлении воздуха 0,3-0,6 МПа расстояние от среза сопла струйно-абразивного пистолета до обрабатываемой поверхности составляет 80-200 мм. Большие значения рекомендуют для мягких поверхностей, меньшие — для более твердых. Обрабатываемая поверхность должна быть матовой, серого цвета без блестящих участков.

Перерыв между струйно-абразивной обработкой и нанесением покрытий не должен превышать 2-4 ч, а при напылении  быстроокисля- ющихся поверхностей, например алюминия, — не более 1 ч. Детали после струйно-абразивной обработки перемещают в хлопчатобумажных перчатках или чистым инструментом.

При подготовке поверхности  деталей типа тел вращения под  нанесение покрытий значительной толщины (более 0,5 мм) часто используют нарезание рваной резьбы. Такой способ подготовки поверхности обеспечивает высокую прочность сцепления при сдвиге покрытия с поверхности детали. Резьбу нарезают обычным резьбовым резцом с верхним углом 55-60°. Высота угла имеет радиус закругления 0,3-0,5 мм. Угол резания 80°, а передний угол резца отрицателен или равен нулю. Резец устанавливают в резцедержателе с вылетом 100-150 мм. Необходимую шероховатость получают за счет смещения режущей кромки резца ниже оси детали.

Вибрация резца вызывает дробление металла на обрабатываемой поверхности, что приводит к шероховатости. Шаг рваной резьбы выбирают в зависимости от диаметра обрабатываемой детали: при диаметре до 20 мм — 0,5 мм; 25-50 мм — 0,8-1,0 мм; 60-100 мм — 1,5 мм. При нарезке нельзя применять охлаждающие жидкости. Рваную резьбу нарезают за один проход. Параметры рваной резьбы подбирают экспериментальным путем для каждого материала и толщины напыляемого покрытия.

Существуют и другие способы  механической обработки поверхности перед напылением деталей.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Технология нанесения  и обработки плазменных покрытий

 

При выборе порошковых материалов для получения различных плазменных покрытий необходимо учитывать следующие  положения.

Гранулометрический состав применяемых порошковых материалов имеет первостепенное значение, так как от него зависят производительность и коэффициент использования, а также свойства покрытий. Размер частиц порошка выбирают в зависимости от характеристик источника тепловой энергии, теплофизических свойств напыляемого материала и его плотности.

Обычно при напылении  мелкодисперсного порошка получают более плотное покрытие, хотя в нем содержится большое количество оксидов, возникающих в результате нагрева частиц и их взаимодействия с высокотемпературным потоком плазмы. Чрезмерно крупные частицы не успевают прогреться, поэтому не образуют достаточно прочной связи с поверхностью и между собой или просто отскакивают при ударе. При напылении порошка, состоящего из смеси частиц разных диаметров, более мелкие частицы расплавляются в непосредственной близости от места их подачи в сопло, заплавляют отверстие и образуют наплывы, которые время от времени отрываются и в виде больших капель попадают на напыляемое покрытие, ухудшая его качество. Поэтому напыление предпочтительно следует производить порошками одной фракции, а все порошки перед напылением подвергать рассеиванию (классификации).

Для проведения классификации  порошков применяют металлические тканые сетки с квадратными ячейками нормальной точности по ГОСТ 6613-73.

Для керамических материалов оптимальный размер частиц порошка 50-70 мкм, а для металлов — около 100 мкм. Порошки, предназначенные для напыления, должны иметь сферическую форму. Они обладают хорошей сыпучестью, что облегчает их транспортировку к плазмотрону.

Почти все порошки гигроскопичны  и могут окисляться, поэтому их хранят в закрытой таре. Порошки, находившиеся некоторое время в открытой таре, перед напылением прокаливают в  сушильном шкафу из нержавеющей  стали слоем 5-10 мм при температуре 120-130 °С в течение 1,5-2 ч.

Порошок для напыления  выбирают с учетом условий эксплуатации напыляемых деталей.

В последние годы для получения  аморфизированных газотермических покрытий разработаны специализированные порошки на никелевой и железной основах. Аморфные газотермические покрытия получают способами плазменного, детонационного и газопламенного напыления. Эти покрытия отличаются повышенными значениями прочности сцепления с подложкой, износо- и коррозионной стойкостью. Установлено, что прочность сцепления у покрытий из сплавов Fe₆₇Ti₇B₂₄C₂, Ni₄₅Mo₂₀Cr₂₅B₁₀ и Fe₄₀Ni₄₀B₂₀, нанесенных плазменным способом на подложку из низколегированной стали, достигает 40-60 МПа. При этом долговечность деталей гидросистемы экскаваторов (валы масляных насосов, золотники) с аморфными плазменными покрытиями из сплавов на основе железа повышается в 1,5-2,5 раза.

Высокая стойкость аморфных покрытий против изнашивания и коррозии обеспечивает повышение долговечности плунжеров бурового оборудования в 1,6-2,1 раза, насосных штанг нефтеперерабатывающего оборудования — в 2,5 раза.

С целью снижения себестоимости  покрытий и экономии никелевых и  кобальтовых сплавов в последние  годы для газотермического напыления используют порошки, полученные из стружки серого чугуна. Установлено, что в процессе воздушно-газового плазменного напыления покрытий из порошка серого чугуна СЧ20, полученного измельчением стружки, происходит образование в структуре покрытия метастабильного е-карбида, мартенсита, остаточного аустенита, способствующих повышению микротвердости в 2,2-2,4 раза по сравнению с чугуном в литом состоянии.

Добавки сплава ПГ-Ж5 и бронзы к порошку серого чугуна уменьшают на 20-40% уровень растягивающих остаточных напряжений. При этом покрытия характеризуются высокой прочностью сцепления (40-60 МПа), по газоабразивной износостойкости в 1,2-2,2 раза превышают плазменные покрытия из никелевого сплава ПГ-10Н-01, а по абразивной — в 1,4-3,4 раза термообработанную сталь 45.

Плазменное напыление  порошков на основе серого чугуна позволило повысить износостойкость коленчатых валов двигателей ВАЗ в 1,1-1,4 раза, валов масляных насосов двигателей СМД-14 — в 1,5-1,75, распределительных валов двигателей ЗИЛ-508.10 — в 1,2-1,6, клапанов распределительного механизма двигателя 3M3-53 и барабанов тормозов трактора Т-150К —в 1,5-1,7 раз.

Технологический процесс плазменного напыления требует выполнения ряда подготовительных операций. Механическую обработку деталей под напыление осуществляют с учетом обеспечения требуемой формы сопряжения напыленного покрытия со смежными поверхностями. Поверхности деталей, не подлежащие напылению, защищают от попадания на них напыляемого материала с помощью асбестовых или металлических экранов, масок, а также специальных обмазок.

 

Перед нанесением покрытия деталь обдувают сжатым воздухом в  течение 5-10 с. Для удаления адсорбированной  влаги и уменьшения внутренних напряжений деталь перед напылением подогревают  плазмотроном до 150-180 °С.

Дистанцию напыления определяют опытным путем. Она зависит от порошка, режима напыления, конструктивных особенностей обрабатываемого изделия и обычно составляет 100-150 мм. Скорость перемещения струи относительно изделия составляет 3-15 м/мин, а окружная скорость вращения изделия — 10-15 м/мин. Ось сопла плазмотрона должна быть направлена по отношению к напыляемой поверхности под углом 60-90°, в стесненных условиях — не менее 45°.

В процессе напыления плазменная струя должна быть устойчивой, без  пульсаций. С помощью регулятора расхода газа, порошка и других устройств обеспечивают равномерную  подачу порошка без наращивания порошка на наружной поверхности анода и закупорки отверстия для ввода порошка. После этого включают систему перемещения детали, а затем плазмотрона, и наносят покрытие. Необходимую толщину покрытия получают многократным повторением циклов напыления перемещением плазмотрона относительно напыляемой поверхности детали или их взаимного перемещения с перекрытием полос напыления на одну треть диаметра пятна напыления.