Справочники
Аналитика | Документы | Должностные обязанности | Справочники | Должностные инструкции | Положение по отделам | Словарь терминов
Термическое напыление
Эффективность применения активированной дуговой металлизации для нанесения защитных покрытий
Перспективным направлением повышения срока службы изделий является образование поверхностного слоя, контактирующего с внешней средой, с улучшенными свойствами. Здесь одним из самых интенсивно развивающихся направлений является группа методов газотермического напыления (ГТН) покрытий. К ним относят газопламенное, плазменное, детонационное напыление, электродуговую металлизацию. При ГТН поверхность детали, на которую наносится покрытие, нагревается ниже температуры отпуска. Вследствие этой особенности для процессов ГТН характерны малые тепловые деформации и, во многих случаях, отсутствие структурных изменений в детали. Это обусловливает привлекательность ГТН-методов для улучшения эксплуатационных характеристик изделий. Результаты анализа, выполненного консалтинговой фирмой The Technical Center for Mechanical Engineers (CETIM), Франция, показывают [1], что мировой объем рынка технологий ГТН в 2000 г. составил 1600 млн. евро, а рост в последующее десятилетие составит 25% (рис. 1). Согласно технико – экономической оценке Ю. А. Харламова [2], по относительной стоимости ЭДМ-покрытия в 3 – 10 раз дешевле получаемых другими способами ГТН при обеспечении их высокой прочности (рис. 2). Электродуговая металлизация (ЭДМ) выглядит предпочтительнее перед другими способами нанесения газотермических покрытий по тепловой эффективности, стоимости напыляемых материалов, производительности и простоте обслуживания. Эффективный КПД нагрева, то есть доля тепловой энергии, идущей непосредственно на нагрев и плавление распыляемого материала, при ЭДМ составляет в среднем 60 %. Низкие тепловые потери обусловлены физическими особенностями процесса. Здесь нагрев и плавление распыляемого материала происходит за счет тепла электрической дуги, горящей между электродами, из которых образуется распыляемый материал. В других ГТН-процессах генерация тепла и его расход на плавление распыляемого материала разделены по времени и в пространстве, что обусловливает высокие теплопотери. В наиболее распространенном процессе плазменного напыления (ПН) эффективный КПД нагрева в несколько раз ниже. Он составляет 2 – 27 %, в зависимости от вида распыляемого материала (проволока или порошок) и конструкции соплового узла [4]. Однако, помимо преимуществ, физико-химические особенности процесса ЭДМ вызывают и сложности в получении качественных покрытий. Если при ЭДМ на этапе дистанции напыления характер сил, действующих на капли, аналогичен другим ГТН-процессам, то на начальном этапе формирования двухфазного потока имеется существенное отличие. При ПН в струю плазмы попадает поток капель сферической формы и их движение в основном определяется силой аэродинамического сопротивления со стороны струи. Такая схема позволяет легко формировать струю распыляемого материала. При ЭДМ, помимо газодинамического напора, на образующиеся капли сильное влияние оказывают электромагнитные силы, возникающие в зоне горения дуги. Анализ показывает [5], что результирующий вектор сил может сильно отклоняться от желательного направления движения капель распыляемого металла. Недостаточный учет этого фактора приводит к тому, что имеющееся ЭДМ-оборудование характеризуется широким углом распыла, до 700, и, соответственно, невысоким, порядка 0.5 – 0.6, коэффициентом использования материала. Кроме этого, при ЭДМ в зоне горения дуги происходит интенсивное выгорание из металла легирующих элементов и насыщение распыляемого металла газами из атмосферы. Это приводит к изменению химического состава, снижению концентрации легирующих элементов, избыточному содержанию оксидов в покрытии [6]. Для устранения указанных недостатков на основе математического моделирования [5, 6, 7] разработана и внедрена в производство гамма оригинальных металлизационных аппаратов [8]. Для того чтобы подчеркнуть отличие совокупности разработанных технических решений от имеющихся при ЭДМ, мы приняли название "активированная дуговая металлизация" (АДМ). К отличительным особенностям АДМ относится совместное использование восстановительных смесей в качестве транспортирующего газа, определенного взаимного расположения сопел и электродов, целенаправленного воздействия на зону горения дуги. Эти аппараты отличаются улучшенными выходными характеристиками в сравнении с ЭДМ-аппаратами: угол распыла уменьшен в 2 – 3 раза, коэффициент использования материала достигает 85 % (50 – 70 % у других аппаратов), а степень окисления стального покрытия снижена с 4.7 % до 2.9 %. При этом производительность и тепловая эффективность процесса остались на уровне ЭДМ. Результаты изучения структуры и свойств АДМ- и ЭДМ-покрытий [9] показали, что в АДМ-покрытиях значительно меньше пор, у них более плотная структура, их износостойкость выше при аналогичных распыляемых материалах. Даже если качество износостойкого покрытия обеспечивает его работоспособность, желателен запас прочности, поскольку возможно снижение качества по ряду причин. Зависимость коэффициента снижения качества nк можно представить в виде: Nк = n1*n2*n3*n4*n5 (1) где коэффициенты ni характеризуют независимые друг от друга причины снижения качества: n1 - несовершенство распылительного сопла; n2 - низкая надежность узлов металлизационного аппарата; n3 - несоблюдение технологических режимов процесса; n4 - колебание входных энергетических параметров (ток, напряжение, давление воздуха в сети); n5 - неверно выбранная технология восстановления. Причины снижения качества, выраженные через коэффициенты n3, n4, n5, типичны для ремонтного производства предприятий. Они обусловлены сложностью деталей, отсутствием на них документации, износом оборудования, низкой квалификацией персонала. Вследствие этого само металлизационное оборудование должно обеспечивать повышенный запас прочности по качеству (коэффициенты n1, n2), чтобы перекрыть снижение качества вследствие специфики ремонтного производства (коэффициенты n3, n4, n5). Достоверно оценить величины коэффициентов в формуле (1), затруднительно. Однако имеющиеся опытные статистические данные по разрушению покрытий на достаточно больших партиях напыленных деталей, показывают, что в аналогичных производственных условиях АДМ обеспечивает значительно более высокую надежность в сравнении с ЭДМ. Качество антикоррозионных покрытий оценивалось по адгезионной прочности, пористости, газопроницаемости [10]. Адгезия измерялась методом отрыва конического штифта, пористость по ГОСТ 18898-73, газопроницаемость – по ГОСТ 25283-93 Характер зависимости и значение величины адгезионной прочности, соответствуют данным для плазменного напыления [11], что говорит об аналогичном качестве ПН- и АДМ-покрытий по этому параметру. Сравнительные испытания, проведенные для покрытий, полученных с использованием типового метализационного аппарата ЭМ-14 и аппарата АДМ-10, показали, что при одинаковом химическом составе величина открытой пористости в случае АДМ-покрытий снижается примерно в 3 раза. Газопроницаемость АДМ-покрытий на 2 порядка ниже, чем у ЭДМ-покрытий. Данные свидетельствуют о том, что при уменьшенной толщине АДМ-покрытия аналогичны по эксплуатационным характеристикам с ЭДМ-покрытиями. Это дает возможность снижения трудоемкости и расхода материалов. Результаты исследований подтверждены на практике. За последние годы было организовано более десяти участков нанесения покрытий на основе АДМ-оборудования на предприятиях машиностроения, ремонта автомобильной техники и электротранспорта, газопереработки, металлургии, строительства. В основном решались типовые задачи: восстановление цилиндрических и плоских поверхностей, нанесение антикоррозионных покрытий. Эффективность от применения составила 1 – 4 млн. руб. в год на аппарат, в зависимости от сферы и масштабов применения.
Похожие записи этой же категории
Другие статьи этой категории