Текст книги "Монтаж, эксплуатация и ремонт оборудования перерабатывающих предприятий"

17.6. Металлизация

Металлизация напылением есть процесс, в котором металл, расплавленный каким-либо источником тепла, распыляется сжатым воздухом или другим, преимущественно инертным газом мелких частиц на поверхность восстанавливаемой детали. В ремонтном производстве этот процесс используется в основном для наращивания изношенных поверхностей (валов, цапф) и устранения различных дефектов в корпусных деталях (трещин, раковин, пор и т. д.). Сущность металлизации заключается в следующем: частицы расплавленного металла, увлекаемые сжатым воздухом, с большой скоростью (150–300 м/с) ударяются на специально подготовленную поверхность детали, расплющиваются, заклиниваются в неровностях поверхности и охлаждаются. Процесс напыления разделяется на четыре этапа:

• расплавление напыляемого металла;

• отрыв и распыление расплавленного металла;

• перенос (полет) частиц напыляемого металла;

• формирование напыляемого слоя.

В зависимости от применяемого способа плавления металлизацию подразделяют на газовую, электродуговую, высокочастотную и плазменную. В соответствии с этим различают четыре группы металлизаторов:

• газовые, типа ГИМ-1, ГИМ-2;

• электродуговые, типа ЛК-6, ЛК-12, ЭМ-3, ЭМ-6;

• высокочастотные, типа МВЧ-1, МВЧ-2, МВЧ-3;

• плазменные, типа УМП-1-61, УМП-2-62, УМП-4-64, УПУ-3.

В качестве горючего газа применяют ацетилен или пропан. Ацетиленокислородное пламя расплавляет проволоку или порошок, подаваемые через центральное отверстие сопла металлизатора, а транспортирующий газ распыляет жидкий металл (рис. 155, а и б). Известные преимущества при плавлении металла в восстановительном ацетиленокислородном пламени, где по сравнению с плавлением в электрической дуге позволяют уменьшить выгорание легирующих элементов (углерода, марганца и др.), получить более мелкий распыл и как следствие этого улучшить механические свойства напыленного покрытия.

Электродуговая металлизация заключается в том, что электрическая дуга возбуждается между двумя проволоками 7 и 9 (рис. 155, в), изолированными одна от другой и расположенными под острым углом. Расплавленный металл проволок распыляется и выдувается сжатым воздухом.

Рис. 155. Схема нагрева и распыления металла при металлизации: а – пламя, горючий газ – кислород; б – пламя, горючий газ – сжатый воздух; в – электрическая дуга; 1 – канал сжатого воздуха; 2 – канал смеси горючего газа и кислорода; 3 – распыляемая проволока; 4 – пламенный факел; 5 – порошок; 6 – канал для смеси; горючий газ – воздух; 7 и 9 – распыляемая проволока; 8 – сжатый воздух; 10 – электрическая дуга.

Высокочастотная металлизация отличается тем, что расплавление металла происходит за счет индуктивного нагрева проволоки током высокой частоты (200–300 кГц), который подводится к индуктору металлизатора от генератора. Для быстрого плавления металла в распылительной головке металлизатора смонтирован концентратор вихревых токов, который дает максимальную плотность электромагнитного поля у выхода проволоки из сопла (рис. 156).

Рис. 156. Схема головки высокочастотного металлизатора: 1 – индуктор; 2 – камера для сжатого воздуха; 3 – проволока; 4 – камера охлаждения.

Высокочастотная металлизация по сравнению с электродуговой имеет ряд преимуществ. Во-первых, при этом способе уменьшается выгорание легирующих элементов проволоки; во-вторых, увеличивается производительность процесса, так как применяется проволока большего диаметра (3–6 мм) и, наконец, в 2 раза уменьшается удельный расход электроэнергии.

Плазменная металлизация выгодно отличается от приведенных выше способов тем, что позволяет получать покрытия из карбидов и окислов металлов, твердых, износостойких и тугоплавких материалов и т. д. Высокая концентрация тепловой энергии в плазменной струе, стабильность дугового разряда, возможность раздельного регулирования степени нагрева основного и присадочного материалов обусловливают преимущества плазменной металлизации. Она основана на способности газов переходить при определенных условиях в состояние плазмы. Как известно, плазма, образующаяся в любом дуговом разряде, представляет собой сильно ионизированный и раскаленный газ. В 1 см³ плазмы содержится 109-1010 ионов и электронов, а температура достигает 14 000-17 000 °C. Плазма характеризуется повышенной электропроводностью и легко поддается действию магнитных полей. Существование плазмы поддерживается непрерывно протекающим процессом ионизации. Для интенсификации процесса плазмообразования часть столба дуги помещают в узкий канал с охлаждаемыми стенками и дугу обдувают соосным потоком газа. В этом случае почти весь газ, проходящий сквозь столб сжатой дуги, ионизируется и превращается в плазму. Наряду с ионизацией в плазме протекает и обратный процесс – рекомбинация, так что плазма характеризуется квазинейтральностью, т. е. одинаковым количеством положительных и отрицательных зарядов. Для образования плазмы чаще всего применяется аргон, дающий наиболее высокую температуру плазмы при наименьшем напряжении дуги по сравнению с азотом и водородом. В качестве защитного газа могут использоваться аргон, азот, углекислый газ и смеси аргона с азотом или гелием. Материалом неплавящихся электродов служит обычно вольфрам с добавкой окиси лантана. Источником питания может быть сварочный выпрямитель, например ВДУ-506. Схема плазмообразующей головки показана на рис. 157. Проволока из тугоплавкого материала при помощи подающего механизма 2 подводится к кольцевому электроду 4, которым служит водоохлаждаемый наконечник головки. Зажигание дуги и ее стабилизация предусматриваются от высокочастотного пускового устройства. Дуга 5 горит между проволокой и кольцевым электродом, который снабжен изоляцией 3 и охлаждается водой через камеры 6. Плазмообразующий газ подается через канал 7. Головка может работать и на переменном токе, но постоянный ток предпочтительнее, так как позволяет получать покрытия с более высокими физико-механическими свойствами.

Рис. 157. Схема головки плазменно-дугового металлизатора: 1 – проволока; 2 – подающий механизм; 3 – изоляция; 4 – кольцевой электрод; 5 – электрическая дуга; 6 – охлаждающая камера; 7 – канал для подвода плазмообразующего газа.

Плазменные головки работают на токах 200–400 А, напряжением 40–65 В, давлении газа 2–3 МПа и скорости подачи проволоки 0,25-3 см/мин. Производительность головок в зависимости от материала и скорости подачи проволоки может быть от 2,5 до 12 кг/ч при потребляемой мощности 11,5-20 кВт. При плазменном способе металлизации присадочный материал может подаваться в виде проволоки, ленты или порошка.

К условиям формирования напыляемого слоя относятся: температура в зоне плавления, давление транспортирующего газа и его чистота, скорость переноса и размер частиц, расстояние от сопла до напыляемой поверхности, качество распыляемого металла и, наконец, электрические параметры – напряжение и сила тока. Температура в зоне плавления металла колеблется в широких пределах, что вызывает большой разброс размеров образовавшихся частиц. При электродуговом расплавлении стали 35 % всех частиц имеют размер до 50 мкм, 50 % – от 50 до 100 мкм и 15 % – свыше 100 мкм вплоть до 400 мкм. Объясняется это тем, что процесс горения дуги чередуется с короткими замыканиями электродов. В период горения дуги температура значительно выше, и поэтому частицы металла получаются более мелкие. Повышение скорости подачи электродной проволоки увеличивает время короткого замыкания, и создаются условия образования большего количества крупных частиц. Рост давления транспортирующего газа способствует увеличению периода горения дуги, что повышает качество распыла металла, уменьшая размер частиц. Оптимальным давлением при электродуговой металлизации считается 0,5–0,6 МПа. Расстояние от сопла до обрабатываемой поверхности влияет на качество получаемого слоя, его формирование. Одновременно с изменением скорости полета и удаления частиц от очага плавления изменяются их температура и пластичность. Скорость и температура частиц по сечению струи также неравномерны: частицы, находящиеся дальше от оси конуса, перемещаются медленнее и подвергаются большему охлаждению и окислению. При давлении струи 0,5–0,6 МПа время полета стальных частиц до поверхности детали (400 мм) составляет 0,002-0,003 с. За это время они окисляются и охлаждаются, поэтому металлизационные покрытия содержат большое количество окислов (окиси железа Fe₂O₃, магнитной окиси железа Fe₃O₄ и закиси железа FeO). Количество окислов в покрытии зависит от расстояния сопла пистолета до покрываемой поверхности. Так, при увеличении этого расстояния от 25 до 300 мм содержание окислов в покрытии увеличивается с 10 до 40 %.

Получение металлизационного покрытия основано главным образом на механическом сцеплении частиц между собой, частичной приварке (спекании) и связи с помощью тонких окисных пленок. Слои окислов, находящиеся между металлическими частицами, служат как бы припоями, когда их точка плавления ниже точки плавления распыляемого металла. Структура металлизационного покрытия отличается от исходного металла не только наличием в ней окислов и неметаллических включений, но и значительным количеством пор, которые возникают, с одной стороны, в результате особых условий формирования слоя из отдельных частиц, а с другой, – из-за газовых включений. Так, плотность стального металлизационного покрытия в среднем составляет 6,5 г/см³, а пористость при определенных условиях напыления может достигать 15–20 % объема слоя. Металлизационное покрытие, полученное из проволоки, содержащей 0,7–1,0 % углерода, имеет структурные составляющие мартенсита, тростита, сорбита и других фаз, которые образуются из-за разных размеров частиц и разной скорости их охлаждения. Для всех видов металлизации характерно выгорание основных химических элементов, вследствие чего химический состав напыленного металла резко отличается от состава исходного. При электродуговой металлизации выгорание легирующих элементов значительно больше, чем при любом другом виде металлизации, что объясняется активным действием электрической дуги и интенсивной ионизацией атомов и молекул в зоне горения. Формирование покрытия при плазменной металлизации происходит в более благоприятных условиях. При введении порошка в сопло плавление его частиц происходит при полете в плазменной струе, причем самому интенсивному нагреву они подвергаются на начальном участке траектории, а при соприкосновении с поверхностью детали находятся в пластическом состоянии. Плазма качественно защищает расплавленные частицы от окисления, и плотность покрытия достигает 98 %. Охлаждение частиц на поверхности детали происходит медленно, что значительно способствует снижению величины внутренних остаточных напряжений. Таким образом, благодаря высокой температуре и скорости истечения плазмы, применению инертных газов и возможности регулирования аэродинамических условий получения металлоплазменной струи, появляется возможность получать покрытия с более высокими физико-механическими свойствами.

К основным механическим свойствам стальных металлизационных покрытий, которые определяют их служебные качества, относятся: твердость; прочность сцепления с деталью и прочность самого слоя; износостойкость и влияние напыленного металла на усталостную прочность детали. Твердость покрытий, как правило, выше твердости исходного материала на 30–80 %, что объясняется наличием окислов в слое; изменением химического состава металла; изменением микроструктуры, связанной с закалкой отдельных частиц и их наклепом. На твердость покрытий оказывают влияние параметры режимов металлизации. С увеличением расстояния от сопла до поверхности детали твердость покрытия растет, проходит через максимум (при расстоянии 100–125 мм), а затем падает. При расстоянии менее 100 мм увеличивается нагрев поверхности детали, а при расстоянии более 150 мм в покрытии растет содержание окислов, пор и усиливается выгорание углерода. Покрытия, нанесенные высокочастотной металлизацией, более однородны, чем электродуговой и газопламенной. При плазменной металлизации в связи с иным формированием покрытий их твердость в некоторых случаях получается меньшей, чем у исходного материала. Это можно объяснить большей температурой прогрева и меньшей скоростью охлаждения поверхности детали. Увеличение силы тока сопровождается повышением температуры и скорости переноса частиц, в результате чего увеличивается пластичность покрытия и снижается наклеп. Возрастание расхода газа, повышающее скорость частиц и снижающее их температуру, вызывает увеличение твердости, так как образуются закалочные структуры, а частицы получают повышенный наклеп. Прочность сцепления напыленного слоя с поверхностью детали обеспечивается одновременным действием двух факторов: механическим зацеплением частиц за неровности покрываемой поверхности и взаимодействием молекулярных сил граничных слоев. На прочность сцепления слоя с основным металлом детали оказывают влияние следующие показатели: величина шероховатости поверхности; отсутствие грязи и жира на поверхности; оптимальные, в смысле обеспечения минимальной окисляемости частиц, максимальной скорости их полёта и необходимой температуры, режимы напыления, чистота распыляемого материала и каналов, по которым подается проволока или порошок. Для увеличения прочности сцепления проводится нарезка рваной резьбы, анодно-механическая обработка и электромеханическая высадка. Прочность металлизационного слоя на разрыв значительно превосходит величину его сцепляемости с основным металлом детали и для стальных покрытий составляет до 200 МПа, а прочность на сжатие 550 МПа. При газовой металлизации прочность сцепления увеличивается на 10–15 %, а при плазменной – на 200–300 % по сравнению с электродуговой при прочих равных условиях. Так, прочность сцепления покрытий при плазменной металлизации достигает 40 МПа. Сцепляемость увеличивается с ростом силы тока, расхода газа и температуры подогрева детали. При гранулометрическом составе частиц порошка порядка 50–60 мкм достигается качественная сцепляемость. Износостойкость металлизационных покрытий, как правило, высокая и во многом предопределяется наличием пор (до 10 % объема), которые способствуют удержанию смазки. Поэтому детали, покрытые металлизационным слоем, некоторое время могут работать без доступа смазки. Увеличение количества углерода в распыляемой проволоке способствует повышению твердости и износостойкости металлизационных покрытий. Вид металлизации существенного влияния на износостойкость покрытий не оказывает, так как наблюдается примерно одинаковая их маслопоглотительная способность, порядка 5–7. Покрытия, полученные плазменной металлизацией, имеют более высокую износостойкость, так как в этом случае уменьшаются потери легирующих элементов и могут быть применены проволоки и порошки различного химического состава. Сравнительно небольшая усталостная прочность таких деталей объясняется низкой прочностью сцепления металлизационных покрытий с основным металлом (в 15–20 раз ниже, чем у электролитических покрытий и различного рода наплавок).

17.7. Электроконтактная приварка стальной ленты

Сущность процесса восстановления изношенной поверхности электроконтактной приваркой стальной ленты заключается в наплавлении стальной ленты к восстанавливаемой поверхности детали мощными импульсами сварочного тока. В сварной точке, полученной от действия импульса тока, происходит расплавление металла ленты и детали. Металл ленты в этом случае расплавляется не по всей ее длине, а лишь в тонком поверхностном слое в месте контакта детали и ленты. Слой приваривают по всей изношенной поверхности регулируемыми импульсами тока, перекрывающимися точками, которые располагаются по винтовой линии. Перекрытие точек как вдоль рядков, так и между рядками достигается вращением детали со скоростью, пропорциональной частоте импульсов, и продольным перемещением сварочных роликов. С целью уменьшения зоны термического нагрева детали и обеспечения закалки приваренного слоя в зону сварки подают охлаждающую жидкость. Регулируемые импульсы сварочного тока обеспечиваются импульсным трансформатором, входящим в конструкцию наплавочной установки.

Способ восстановления деталей электроконтактным покрытием (рис. 158) нашел наибольшее применение для восстановленных посадочных мест валов, наружных цилиндрических поверхностей деталей, а также отверстий в чугунных и стальных деталях типа «стакан» и других деталей, в том числе корпусных. Твердость, износостойкость и прочность сцепления зависят от качества стальной ленты. Высокую твердость обеспечивают ленты из хромистых и марганцовистых сталей. Рекомендации по выбору материала ленты приведены в табл. 61. Толщина ленты берется в пределах 0,3–1,5 мм.

Рис. 158. Электроконтактная приварка стальной ленты: 1– центра; 2 – восстанавливаемая деталь; 3 – лента; 4 – ролик; 5 – трансформатор; 6 – прерыватель тока.

Таблица 61. Твердость приваренного слоя в зависимости от материала ленты

Оптимальная продолжительность сварочного импульса составляет 0,04-0,06 с, а сила сварочного тока 6–7 кА. Сварочный ток проходит через контакт «лента-деталь» короткими импульсами. Поскольку деталь охлаждается водой, в процессе сварки происходит закалка слоя. При электроконтактной сварке формирование покрытия осуществляется с частичным расплавлением металла как основной детали, так и стальной ленты при действии на контакте усилия сжатия 1000–2000 Н. Электроконтактной сварке присуща высокая производительность и низкая энергоемкость процесса, незначительная зона термического влияния, отсутствие светового излучения и газовыделения, снижение потерь присадочных материалов в результате разбрызгивания и выгорания легирующих элементов, сохранение первоначальных свойств материала стали при высокой прочности сварного соединения. Режим приварки стальной ленты к детали включает в себя электрические и механические параметры, оптимальное соотношение между которыми определяет качество приваренного слоя. К этим параметрам относятся: сила сварочного тока, усилие прижатия и продолжительность сварочного импульса. При отработке технологии приварки ленты к детали вначале подбирают правильное соотношение между усилием прижатия и силой сварочного тока в зависимости от диаметра детали и толщины привариваемой ленты. При соотношении сварочного давления 80-100 МПа и плотности тока 300–400 А/мм² продолжительность сварочного импульса составляет 0,04-0,05 с при длительности паузы между импульсами 0,06-0,10 с. Продолжительность сварочного импульса удлиняется с увеличением толщины ленты. К механическим параметрам относятся: частота вращения детали и величина продольной подачи. Качественная поверхность получается в том случае, если при вращении детали каждая последующая точка перекрывает предыдущую на 25–30 %. Перед сваркой деталь и лента тщательно очищаются от загрязнений и обезжириваются. Подготовленная заготовка прижимается электродом-роликом к восстанавливаемому участку детали, затем включается ток и производится прихватка-фиксация ленты. Затем переводят электрод-ролик в крайнее положение припаиваемого участка. Включают продольную подачу (3–3,5 мм/об) и вращение детали (4–5 мин^-1) и приваривают весь участок детали. Рабочее напряжение приварки ленты 3–5 В. Установка 011-1-02М для электроконтактной приварки ленты и проволоки состоит из унифицированных узлов: вращателя, привода подачи, суппорта со сварочной головкой, прерывателя типа ПСЛ, пневмопеноли, пульта управления. Установка позволяет восстанавливать изношенные поверхности деталей типа «Вал» диаметром 20-250 мм, длиной до 1250 мм, толщина наплавляемого за один проход слоя 0,3–1,5 мм. Частота вращения шпинделя установки до 20 мин^-1, усилие прижима сварочных электродов 2000–3000 Н. Сварочный ток 5-12 кА, потребляемая мощность 75 кВт. Производительность установки до 60 см²/мин.

17.8. Электромеханическая обработка

Электромеханический способ восстановления размеров посадочных мест неподвижных сопряжений деталей основан на использовании эффекта пластической деформации поверхностных слоев металлической детали при ее электроконтактном нагреве.

Сущность этого способа состоит в том, что через контакт детали с надавливающим на нее инструментом пропускается электрический ток большой силы и низкого напряжения, вследствие чего в месте контакта малые объемы поверхностных слоев металла нагреваются до высокой температуры и под давлением инструмента пластически деформируются. При этом поверхностные слои выдавливаются и при вращении детали и передвижении инструмента образуют спиральные гребни, выступающие над поверхностью детали.

От сети напряжения 220/380 В (рис. 159) ток через рубильник (1) и реостат (2) подводится к понижающему трансформатору, а затем в место контакта детали (5) с инструментом (7). На патроне токарного станка закрепляют токосъемник в виде медного кольца. На это кольцо при помощи медно-графитовых щеток электроконтактного приспособления, изолированного от станка, подается ток 300-1500 А напряжением 1–5 В. Второй провод от трансформатора подводится к державке, закрепленной в резцедержателе суппорта. В этой державке установлен инструмент с твердосплавной высаживающей или сглаживающей пластиной. Державку также электроизолируют от резцедержателя суппорта станка.

Рис. 159. Принципиальная схема электромеханической обработки: 1 – рубильник;2 – реостат; 3 – вторичная обмотка; 4 – патрон токарного станка; 5 – деталь; 6 – задняя бабка токарного станка; 7 – инструмент.

При вдавливании высаживающего инструмента (2) во вращающуюся деталь (рис. 160) в месте контакта из-за высокой плотности тока выделяется большое количество тепла и микрообъемы металла нагреваются до 800–900 °C, становятся пластичными и деформируются, образуя высаженные гребни металла в местах, соприкасающихся с боковой поверхностью инструмента.

Рис. 160. Схема высадки и сглаживания поверхности детали: 1 – деталь;2 – высаживающая пластинка; 3 – высаженные гребни металла; 4 – сглаживающая пластинка; D₁ – диаметр после высадки; D₂ – диаметр после сглаживания; D₀ – начальный диаметр.

Затем инструмент для высадки заменяют другим с твердосплавной сглаживающей пластиной (3). При пропускании тока через контакт между пластиной и высаженными гребнями происходит разогрев верхней части гребней, и сглаживающая пластина деформирует их на заданный размер.

Следует учесть, что при образовании спиральной канавки, а затем при сглаживании ее выпуклых краев происходит нагрев очень малых объемов металла с последующим быстрым их охлаждением, вследствие чего на поверхности детали образуется закаленный слой. Это положительная сторона процесса.

Естественно, что рассматриваемый способ не может обеспечить сплошного контакта посадочного места вала с поверхностью подшипника или втулки, что ведет к некоторому понижению плотности посадки. Чтобы сохранить заданную посадку, можно допустить несколько большие натяги, не вызывающие деформации охватывающей детали.

Образовавшиеся канавки можно заполнить, например, полудой или композицией на основе эпоксидной смолы ЭД-6. Так же можно для получения сплошного контакта сопряженных деталей в образовавшиеся на поверхности детали после прохода высаживающего инструмента, спиральные канавки наматывать очищенную от окислов и грязи проволоку соответствующей марки и диаметра. После чего проволоку обработать, воздействуя на нее роликовым инструментом с усилием 400–500 Н, при токе 1300–1500 А и напряжении 4–6 В. Скорость вращения детали при этом принимают от 0,8 до 1,9 м/мин.

Электромеханическая обработка посадочных мест имеет ряд преимуществ перед наплавкой, а именно: исключается коробление деталей, повышается производительность, снижается себестоимость восстановления, исключается необходимость использования дополнительных ремонтных материалов.