Что такое напыление деталей двигателя

Газотермическое напыление

В настоящее время наиболее широко в промышленности применяются три основных процесса:

  • металлизация из проволоки;
  • порошковое газопламенное напыление;
  • плазменное напыление порошкообразных материалов.

Металлизация из проволок

Необходимые материалы, как правило, металлы и сплавы, в виде проволоки подаются в ацетиленокислородное пламя или в электрическую дугу. Нагретый до пластического состояния (обычно до плавления) материал вводится в струю газа или сжатого воздуха, и с большой скоростью подается на подготовленную поверхность детали, где образует покрытие.

Порошковое газопламенное напыление

Возможности применения металлизации из проволоки ограничиваются выпускаемыми в промышленности проволочными материалами. Многие материалы просто невозможно получить в виде проволоки. Самофлюсующиеся, термореагирующие сплавы, керамические материалы , а также различные смеси порошков подаются в высокотемпературную зону ацетиленокислородного пламени, затем на поверхность, где образуют покрытие. Этот способ напыления наиболее часто применяется в монтажных условиях , когда деталь либо невозможно, либо нерационально напылять в стационарных условиях.

Плазменное напыление

Способ плазменного напыления был разработан для получения наиболее качественных покрытий практически из любых материалов — от баббитов с температурой около 300°С до самых тугоплавких соединений — оксидов, нитридов, карбидов, имеющих температуру свыше 3300°С.

Что из себя представляют покрытия нанесенные газотермическим напылением?

В момент столкновения разогретых частиц с чистой шероховатой поверхностью (которая получается в результате дробеструйной обработки) они почти одновременно заполняют все неровности поверхности и остывают. Напыление продолжается, очередные частицы соединяются с предыдущими и таким образом образуется покрытие.

Рис. Поверхность после дробеструйной обработки.

Рис. Поверхность после напыления.

Рис. Напыленное покрытие.

В результате свойства покрытий до некоторой степени структурно сравнимы с литыми материалами и покрытия слегка пористые.

Области применения газотермического напыления

Газотермическое напыление относится к группе классических ресурсо- и энергосберегающих технологий. Зачастую масса нанесенного покрытия составляет лишь доли процента от массы всей восстановленной детали. Поскольку слой наносится с минимальными припусками под последующую обработку — ниже затраты на механическую обработку. Температура детали в процессе напыления ,как правило, не превышает 60. 80°С, что совершенно исключает коробление и деформации присущие способам наплавки.

Наиболее рациональные области применения покрытий:

  • Восстановление и упрочнение сопрягаемых поверхностей, работающих в условиях абразивного износа.
  • Сопротивление эрозии и кавитации.
  • Устойчивость против высоких температур и газовой коррозии.
  • Покрытия для защиты от коррозии в активных средах.

Такой широкий диапазон возможных областей применения заставляет находить технические решения только с привлечением специалистов имеющих значительный опыт в этой сфере.

Основные особенности способов нанесения покрытий газотермическим напылением

Универсальность. Никаким другим способом нельзя нанести покрытия таких различных материалов, как металлы, сплавы, окислы, карбиды, нитриды, бориды, пластмассы и комбинации материалов с температурой плавления от 300°С до 3500°С на основу из сталей, чугунов, цветных металлов без ограничений. Толщина слоя от 0,1 мм до 15,0 мм. Оптимально 0,5..3,0 мм.

Легкость управления процессом получения и составом покрытий. Энергетические характеристики изменяются в зависимости от требований технологии в процессе получения покрытий. Составом покрытия и его служебными свойствами (твердость, коррозионная стойкость, износоустойчивость и др.) можно управлять путем смешивания различных материалов. Твердость покрытия — величина управляемая в диапазоне 180 HВ..64 HRC.

Отсутствие термических деформаций и каких-либо структурных изменений материала детали при напылении ввиду незначительного нагрева. Температура детали при нанесении покрытия не превышает 100°С, что позволяет с уверенностью гарантировать отсутствие каких-либо структурных превращений не только в массиве детали, но даже и в поверхностных слоях.

Нанесение покрытия на детали без ограничения их веса и габаритов. Размеры и масса восстанавливаемых деталей определяются возможностями вращателя и грузоподъемных механизмов. При плазменном напылении в наших условиях вес деталей от 0,1..4500 кг, длина 10..3500 мм. В монтажных условиях при использовании способа газопламенного порошкового напыления вес деталей и габариты не ограничены.

Экономное использование материалов и энергоресурсов. Зачастую при износе поверхностей 0,1..1,5 мм вес покрытия составляет лишь доли процента от веса восстановленной детали. Припуски под последующую обработку минимальны и составляют 10-15% от толщины покрытия. За счет этого время простоев и затраты по обработке сведены к минимуму. Поверхности могут быть восстановлены неоднократно. Стоимость выполнения работ составляет от 5 до 50 % от стоимости нового изделия, при этом, ресурс работы детали, как правило, не менее новой или существенно выше.

Возможность замены дорогостоящих конструкционных материалов более дешевыми за счет нанесения специальных покрытий. За счет нанесения износоустойчивых, коррозионностойких, эрозионностойких, антифрикционных, жаростойких и других покрытий с управляемой твердостью от 150 НВ до 65 HRC и выше.

Газотермическое напыление как альтернатива «гальваники»

Читайте также:  Характеристика двигателей форд фокус 2 универсал

Повышение надежности изделий, снижение себестоимости их изготовления и обслуживания, продление ресурса эксплуатации, а также современные технологий реновации путем восстановления работоспособности узлов до уровня новых — наиболее приоритетные направления повышения конкурентоспособности продукции машиностроительных предприятий. Применение технологий нанесения защитных покрытий, среди которых наиболее перспективным представляется газотермическое напыление, является одним из таких путей. С использованием газотермического напыления стало возможным значительно снизить или исключить влияние на износ деталей таких факторов, как эрозия, коррозия (в том числе высокотемпературная), кавитация Газотермическое напыление может быть использовано для нанесения покрытий обладающих специальными свойствами, например: для создания термобарьерного слоя, обеспечения электроизоляционных свойств, поглощения излучения продуктов радиоактивного распада, обеспечения определенных оптических свойств, реализации селективного смачивания, создания биологически активных поверхностных свойств для различных искусственных органов и многого другого.

В промышленно развитых странах освоение техники газотермического напыления происходит путем вытеснения «грязных» гальванических технологий. Ситуация в России, сложившаяся в 80-90 гг. позволяет не реанимировать устаревшие технологии, а адаптируясь к новым условиям, вместо гальванических методов использовать новейшие технологии газотермического напыления.

Технологические возможности газотермического напыления

  • газотермическое напыление можно использовать на объектах любых размеров: мосты, суда, трубопроводы, строительные конструкции, котлы, коленчатые валы, лопатки турбин;
  • толщина покрытия может составлять от 0,01 до 10 и более мм; они могут иметь заданную пористость (от 0 до 30 и более процентов);
  • наносить можно любые материалы, имеющие точку плавления или интервал размягчения;
  • в качестве подложки можно использовать дерево, стекло, пластмассы, керамику, композиционные материалы, металлы;
  • нанесение покрытий может производиться в широком диапазоне состава покрытия, температуры и давления — в низком вакууме в специальной камере с контролируемой инертной атмосферой, в воздухе при нормальных условиях, под водой;
  • технология нанесения не вызывает значительного нагрева напыляемой поверхности, следовательно, обеспечивается сохранение геометрических размеров деталей.

Область применения газотермического напыления

Газотермическое напыление применяют при ремонте оборудования или упрочнении рабочих поверхностей новых деталей. В зависимости от назначения покрытия и условий его работы меняются требования к точности соблюдения основных параметров — его состава, толщины, плотности, прочности сцепления с подложкой. Основные технологические процессы, которые сегодня используются в мировой практике — это высокоскоростное напыление; плазменное напыление на воздухе с использованием таких плазмообразующих газов, как аргон, азот, гелий, воздух; детонационное или газопламенное напыление, а также электродуговая металлизация. По косвенной оценке (число продаваемого оборудования для газотермического напыления покрытий), насыщенность европейской промышленности выше насыщенности российских предприятий примерно в 350-400 раз.

За рубежом 75% запорной арматуры (шаровые краны большого диаметра) производится с газотермическим напылением карбида вольфрама на связке кобальт-хром, а остальная часть — с гальваническим нанесением хрома или никеля. У нас же 100% шаровых кранов такого же типоразмера имеют гальванические покрытия. Такое состояние дел можно объяснить большим количеством отрицательных результатов, полученных при использовании газотермических технологий в прежние годы. Анализ опыта внедрения технологии газотермического напыления в производство в прежние годы показывает, что получение отрицательных результатов было обусловленно низким качеством или несовершенством технологического оборудования и средств контроля, либо неправильным выбором технологических схем. В настоящее время отечественные предприятия, борющиеся за свое место на рынке, все чаще начинают внедрять современные методы газотермического нанесения покрытий для повышения качества выпускаемой продукции.

Рис. Газотермическое нанесение антифрикционного покрытия на ходовой винт.

Рис. Газотермическое упрочнение гофровала.

Рис. Детали насосного оборудования упрочненные газотермическим напылением

Суть процесса

Суть процесса газотермического напыления заключается в расплавлении материала покрытия (проволока или порошок) с последующим нанесением (напылением) его на основу в газовом потоке. В микрозоне удара частиц расплава о покрываемую поверхность они деформируются и растекаются, последовательно слипаясь друг с другом и затвердевая, они формируют плоский слой. Связь напылямых частиц с основой происходит за счет тепловой и кинетической энергии, которая определяется температурой и скоростью этих частиц. Связь покрытия с основой- адгезионная, она осуществляется за счет межмолекулярных сил и механического сцепления его с неровностями развитой шероховатой поверхности.

Немного о самих покрытиях

Износостоийкие

Изнашивание металлов — процесс разрушения поверностных слоев трущихся тел — характеризуется разнообразием условий их нагружения. В зависимости от этих условий следует выбирать те материалы, которые имеют большее сопротивление изнашиванию. В качестве износостойких в условиях пленочной жидкой смазки применяют антифрикционные материалы (баббиты, бронзы). При сухом трении до 500оС — сочетание твердых материалов с мягкой связкой (карбид вольфрама — кобальт или никель). При повышенных температурах (до 900оС) — карбид хрома — нихром. При высоких температурах — материалы, дающие устойчивые оксиды: алюминид никеля, нихром, или покрытия, содержащие твердые смазки ( графит, дисульфид молибдена, нитрид бора). При возможности абразивного изнашивания применяют твердые наплавочные материалы — самофлюсующиеся покрытия, содержащие бориды, карбиды. При эрозионном пылевом изнашивании помимо самофлюсующихся покрытий хорошо себя зарекомендовали плотные пленки на основе карбидов вольфрама или хрома, полученные при напылении высокоскоростным способом. Газотермические покрытия пористостью 5-15% при жидкостном трении обладают более высокой износостойкостью, чем новая деталь. Так, у нового стального вала двигателя внутреннего сгорания после прекращения подачи обычной моторной смазки через 2,5…3 ч происходит разрушение масляной пленки, а затем заедание в баббитовом подшипнике, что приводит к резкому увеличению коэффициента трения и разрушению подшипника. Заедание вала с напыленным стальным покрытием происходит через 22,5 ч после прекращения подачи смазки при постепенном повышении коэффициента трения. Если в качестве смазочного материала использовали графитизированное масло, то заедания вала с напыленным покрытием не наблюдалось после 190 ч с момента прекращения подачи смазки.

Читайте также:  Шаговый двигатель ардуино что это такое

Жаростойкие

Жаростойкие покрытия образуют плотную оксидную пленку, которая защищает подложку от окисления. Оксиды алюминия, хрома, кремния имеют плотное строение и высокую прочность сцепления. Жаростойкими являются сплавы в системах Ni-Al, Ni-Cr, Ni-Cr-Al, Ni-Co-Cr-Al-X, MoSi2, . Теплозащитные покрытия (ТЗП) должны иметь низкое значение коэффициента теплопроводности l и высокую температуру плавления.Наиболее подходящим материалом для ТЗП является оксид циркония. ТЗП лопаток турбины ГТД должно иметь l менее 2,5 Вт/(м•К). ТЗП из ZrO2 имеет пористость 15±5%, при которой l

Источник

Что такое напыление деталей двигателя

Восстановление деталей напылением

Напыление является одним из способов нанесения металлических покрытий на изношенные поверхности восстанавливаемых деталей.

Сущность процесса состоит в напылении предварительно расплавленного металла на специально подготовленную поверхность детали струей сжатого газа (воздуха).

Мелкие частицы распыленного металла достигают поверхности детали в пластическом состоянии, имея большую скорость полета.

При ударе о поверхность детали они деформируются и, внедряясь в ее поры и неровности, образуют покрытие.

Соединение металлических частичек с поверхностью детали и между собой носит в основном механический характер и только в отдельных точках имеет место их сваривание.

Основными достоинствами напыления как способа нанесения покрытий при восстановлении деталей являются:

высокая производительность процесса,

небольшой нагрев деталей (120. 180°С),

высокая износостойкость покрытий,

простота технологического процесса и применяемого оборудования,

возможность нанесения покрытий толщиной 0,1. 10 мм и более из любых металлов и сплавов.

К недостаткам процесса следует отнести пониженную механическую прочность покрытия и сравнительно невысокую прочность сцепления его с поверхностью детали.

В зависимости от вида тепловой энергии, используемой в аппаратах для напыления, различают следующие способы напыления:

газопламенное,

электродуговое,

высокочастотное,

детонационное,

ионно-плазменное,

плазменное.

Газопламенное напыление осуществляется при помощи специальных аппаратов, в которых плавление напыляемого металла производится ацетилено-кислородным пламенем, а его распыление — струей сжатого воздуха.

Напыляемый материал в виде проволоки подается через центральное отверстие горелки и, попадая в зону пламени с наиболее высокой температурой, расплавляется.

Проволока подается с постоянной скоростью роликами, приводимыми в движение встроенной в аппарат воздушной турбинкой через червячный редуктор.

В качестве напыляемого материала при газопламенном напылении применяют также металлические порошки, которые поступают в горелку из бункера с помощью транспортирующего газа (воздуха).

Преимуществами газопламенного напыления являются:

небольшое окисление металла,

мелкий его распыл,

достаточно высокая прочность покрытия.

К недостаткам следует отнести сравнительно невысокую производительность процесса (2. 4 кг/ч).

Электродуговое напыление производится аппаратами, в которых расплавление металла осуществляется электрической дугой, горящей между двумя проволоками, а распыление — струей сжатого воздуха.

Привод для подачи проволоки в зону горения электрической дуги в ручных аппаратах осуществляется от воздушной турбинки, в станочных — от электродвигателя.

Основным преимуществом электродугового напыления является:

высокая производительность процесса (3. 14 кг напыляемого металла в час).

высокая температура электрической дуги позволяет наносить покрытия из тугоплавких металлов.

при использовании в качестве электродов проволок из двух различных металлов можно получить покрытие из их сплава.

сравнительную простота применяемого оборудования, а также небольшие эксплуатационные затраты.

Недостатками электродугового напыления являются:

повышенное окисление металла,

значительное выгорание легирующих элементов

пониженная плотность покрытия.

Высокочастотное напыление основано на использовании принципа индукционного нагрева при плавлении исходного материала покрытия (проволоки).

Распыление расплавленного металла производится струей сжатого воздуха.

Головка высокочастотного аппарата для напыления имеет индуктор, питаемый от генератора тока высокой частоты, и концентратор тока, который обеспечивает плавление проволоки на небольшом участке ее длины.

Преимуществами высокочастотного напыления являются небольшое окисление металла благодаря возможности регулирования температуры его нагрева и достаточно высокая механическая прочность покрытия.

К числу недостатков следует отнести сравнительно невысокую производительность процесса, а также сложность и высокую стоимость применяемого оборудования.

Детонационное напыление.

При этом способе напыления расплавление металла, его распыление и перенос на поверхность детали достигаются за счет энергии взрыва смеси газов ацетилена и кислорода.

При напылении металла в камеру охлаждаемого водой ствола аппарата для напыления подаются в определенном соотношении ацетилен и кислород.

Затем в камеру вводится с помощью струи азота напыляемый порошок с грануляцией в 50. 100 мкм.

Газовую смесь поджигают электрической искрой.

Взрывная волна сообщает частичкам порошка высокую скорость полета, которая на расстоянии 75 мм от среза ствола достигает 800 м/с.

Читайте также:  Помыл двигатель стал троить

При ударе о деталь кинетическая энергия порошка переходит в тепловую.

При этом частички порошка разогреваются до 4000 °С.

После нанесения каждой дозы порошка ствол аппарата продувается азотом для удаления продуктов сгорания.

Этот процесс повторяется автоматически с частотой 3—4 раза в секунду.

За один цикл на поверхность детали наносится слой металла толщиной до 6 мкм.

Преимуществами этого способа напыления являются:

большая производительность процесса при диаметре ствола 20. 25 мм (за 15 с можно нанести покрытие толщиной до 0,3 мм на площади до 5 см2);

высокая прочность сцепления покрытия с поверхностью детали;

температура на поверхности детали не более 200 °С.

К недостаткам процесса следует отнести:

высокий уровень шума (до 140 дБ), требующий выполнения операции в специальной звукопоглощающей камере.

Ионно-плазменное напыление.

При этом способе напыления детали, на которые наносится покрытие, помещают в вакуумную камеру.

В этой камере напыляемый металл за счет тепла электрической дуги переводится в плазменное состояние.

Положительно заряженные ионы металлической плазмы перемещаются на поверхность деталей, которые являются катодом.

В вакуумную камеру вводится реактивный газ (азот), за счет взаимодействия которого с частицами металлической плазмы происходит улучшение свойств покрытия.

Установка состоит из вакуумной камеры 4, на столе 2 которой смонтированы:

катод 3, изготовленный из напыляемого материала;

кольцеобразный анод 9, расположенный концентрично катоду;

соленоид 5 для ускорения движения потока плазмы к напыляемой детали 8;

электрод 10 поджига электрической дуги с электромагнитным вибратором 12.

На крышке 6 вакуумной камеры установлена кассета 7, в которой крепятся детали.

Питание установки производится от двух источников тока 13 и 14 напряжением в 1000 В.

При напылении деталей их устанавливают в вакуумную камеру и создают в ней рабочий вакуум через патрубок 1, который соединен с вакуумным насосом.

Подводят к катоду и аноду напряжение от источников питания.

Электродом поджига возбуждают электрическую дугу.

Под действием дугового разряда материал катода переходит в плазменное состояние.

Металлическая плазма под действием магнитного поля соленоида ускоряется в ее движении к деталям, на которые подан отрицательный потенциал.

При полете к деталям ионы металлической плазмы взаимодействуют с реактивным газом (азотом), который подводится через патрубок 11.

Ионно-плазменная установка применяется для упрочнения режущего инструмента путем нанесения покрытия из нитрида титана и для повышения прирабатываемости и износостойкости поршневых колец за счет нанесения покрытия из нитрида молибдена.

Эта установка может быть применена также при восстановлении деталей с небольшим износом в пределах 10. 15 мкм.

Плазменное напыление — это такой способ нанесения металлических покрытий, при котором для расплавления и переноса металла на поверхность детали используются тепловые и динамические свойства плазменной дуги.

В качестве плазмообразующего газа применяют азот.

Азотная плазма имеет сравнительно невысокую температуру (до 10. 15 тыс.°С), но обладает высокой энтальпией (теплосодержанием).

Это объясняется тем, что процесс образования азотной плазмы имеет две стадии: диссоциацию и ионизацию.

Обе стадии процесса получения плазмы протекают с поглощением тепловой энергии.

Процесс получения аргонной плазмы имеет только одну стадию — ионизацию.

Таким образом, азотная плазма становится носителем большего количества тепловой энергии, чем аргонная.

Высокая энтальпия азотной плазменной струи и низкая стоимость азота и обусловили его широкое применение в качестве плазмообразующего газа при плазменном напылении.

Исходный материал покрытия вводится в сопло плазмотрона в виде проволоки или гранулированного порошка.

Проволока в качестве напыляемого материала используется реже, так как при ее применении структура покрытия получается крупнозернистой и, кроме того, не все материалы для напыления могут быть приготовлены в виде проволоки.

Поэтому при плазменном напылении в качестве присадочного материала применяют гранулированные порошки с размером частиц 50. 150 мкм.

Порошок в сопло плазмотрона подается из дозатора при помощи транспортирующего газа (азота).

Дозатор определяет расход порошка и, следовательно, производительность процесса напыления.

Расход порошка можно плавно регулировать в пределах 3. 12 кг/ч.

Попадая в плазменную струю, металлический порошок расплавляется и, увлекаемый струей, наносится на поверхность детали, образуя покрытие.

Свойства покрытия зависят от температуры нагрева частиц и скорости их полета при встрече с поверхностью детали.

Скорость полета металлических частиц определяется в основном двумя факторами — силой тока дуги и расходом плазмообразующего газа.

В зависимости от значения этих факторов она может достигать 150. 200 м/с.

Наибольшей скорости расплавленные частицы металла достигают на расстоянии 50. 80 мм от сопла плазмотрона.

Большая скорость полета частиц порошка и высокая температура их нагрева в момент встречи с подложкой обеспечивают более высокие, чем при других способах напыления, механические свойства покрытия и более прочное его соединение с поверхностью детали.

Режим плазменного напыления зависит от напыляемого материала и рекомендуется следующий:

сила тока 350. 400 А;

напряжение тока 60. 70 В;

расход плазмообразующего газа 30. 35 л/мин;

Источник