Сущность технологии восстановления методом электродуговой металлизации.
На основе взаимодействия материалов при электродуговой металлизации отмечены наиболее рациональные технологические приемы и методы регулирования свойств покрытий. Опыт промышленности показывает необходимость специальной подготовки перед напылением. Такая подготовка очищает поверхность и выводит ее из состояния термодинамического равновесия со средой, освобождая межатомные связи поверхностных атомов, т.е. химически активизирует подложку. Однако активность подложки быстро снижается из-за химической адсорбции газов из среды окисления. Поэтому время между операциями подготовки поверхности и нанесения покрытий максимально сокращают. Предварительная обработка поверхности, кроме того, увеличивает ее шероховатость, что приводит к повышению температуры в контакте под напыляемыми частицами на выступах и увеличивает суммарную площадь участков приваривания частиц к подложке. Шероховатая поверхность имеет большую площадь по сравнению с гладкой, что также увеличивает прочность сцепления покрытий с деталью.
К изделиям, подготовленным к электродуговому нанесению покрытий, предъявляют следующие требования:
1. Размеры напыляемых деталей должны быть уменьшены (или увеличены) на толщину покрытия.
2. На поверхностях изделий не должно быть заусенцев, сварочных брызг, наплывов пайки, прижогов, остатков флюса, раковин, трещин и пр. Поверхности должны быть очищены от окалины, ржавчины, оксидов и различных загрязнений.
3. Размеры напыляемых внутренних (диаметр, длина) должны соответствовать технической характеристике установки для напыления. При использовании стандартного оборудования покрытие наносится на внутренние поверхности, открытые с двух сторон, если соотношение длины к диаметру не превышает 1,8.
4. Покрытия на выемки и глухие отверстия следует наносить при отношении ширины или диаметра отверстия к глубине не менее 2.
5. Участок поверхности изделия, подлежащий напылению, должен иметь необходимую конфигурацию (рис. 1.).
6. Диапазон толщин наносимых покрытий в основном определяется свойствами материалов покрытия и изделия. Обычно наносятся покрытия толщиной от 15 мкм до 3 мм (в отдельных случаях до 5 мм).
При подготовке поверхности учитывают следующие требования:
1. подготовленная поверхность должна иметь комнатную температуру; если температура изделия ниже 0˚С, перед операцией подготовки его подогревают до комнатной температуры, так как конденсационный слой влаги значительно снижает прочность сцепления покрытия с основным материалом;
2. размеры зоны специальной обработки должны быть на 5-20 мм больше зоны напыления;
3. не следует применять СОЖ;
4. необходимо оберегать подготовленную поверхность от соприкосновения с маслами, жирами, водой и пр.; не трогать руками; при обработке и нанесении покрытий использовать чистый обезжиренный инструмент или рукавицы.
5. при необходимости транспортировки подготовленное изделие следует упаковать в бумагу, специальную тару и пр.
Рисунок 1. Требования к конфигурации поверхности с электродуговыми покрытиями: 1- основной материал изделия; 2 - покрытие.
Выбор способа подготовки поверхности зависит от вида покрытия, его толщины метода напыления, конфигурации и размеров изделия, вида обработки напыленного покрытия и других факторов. Способ подготовки поверхности влияет на прочностные характеристики основы (таблице №1): способы, обеспечивающие поверхностный наклеп (накатка, обработка дробью и др.) повышают усталостную прочность на 20-30%; способы, создающие на изделии концентраторы напряжений и вызывающие неравномерные изменения структуры основного металла (нарезка резьб различных канавок, электроискровая и электродуговая обработка, насечка зубилом и др.), снижают усталостную прочность (до 60%первоночальной). При напылении покрытий толщиной более 1,0 мм на детали, работающие в условиях повышенных нагрузок (особенно срезающих), применяют специальную механическую обработку (нарезание рваной резьбы, фрезерование насечки, фрезерование канавок клиновидной формы, ручная или механизированная насечка, косая сетчатая накатка).
Таблица №1. Влияние способа подготовки поверхности на прочность напыленных деталей.
Способ подготовки поверхностиПредел выносливостиПрочность сцепления (по деформации сдвига), 10^-5Н*м^-210^-1 МН*м^-2% к шлифованной деталиОбработка дробью32,4128,51040Накатка (прямая, косая, перекрестная)30,6121,01000<Пескоструйная обработка27,8110,5345Шлифование25,2100,0- Нарезка треугольная с последующей обработкой дробью24,598,01900Насечка зубилом20,682,0820 Электроискровая обработка19,4-21,277,0-84,0915-1100Нарезка круглая19,477,01670Нарезка круглая с прикаткой вершин18,874,51440 Нарезка треугольная18,874,5 1800Нарезка треугольная с прикаткой вершин17,0 67,51560Электродуговая обработка17,067,5250<Нарезка кольевых канавок16,565,51400Нарезка кольцевых канавок с прикаткой вершин15,361,01130
1.1. Очистка и мойка деталей.
Загрязненные детали и заготовки перед нанесением электродуговых покрытий подвергают тщательной очистке. Особое внимание уделяют восстанавливаемым изношенным деталям, имеющим почвенные загрязнения, остатки топливно-смазочных материалов и затвердевшую смазку, асфальто-смолистые отложения, нагар, продукты коррозии, старые лакокрасочные покрытия пр. При подготовке поверхностей к нанесению любых покрытий перед травлением, нагревом, струйно-абразивной обработкой и электроискровой обработкой поверхность деталей обезжиривают органическими растворителями (бензин, уайт-спиритом, ацетоном, тетрахлорэтиленом, трихлорэтиленом и другими хлористыми углеводородами), моющими составами, щелочными растворами и различными эмульсиями по ГОСТ 9.402-80. От чистоты поверхности детали в значительной степени зависит качество напыления. Наличие на поверхности грязи, оксидных пленок, масла уменьшает прочность сцепления покрытия с металлом детали.
Очистку и мойку выполняют общепринятыми методами (машинная или ручная промывка растворителями, обтирка концами, очистка скребками, обдувка сжатым воздухом). Необходимо тщательно очистить не только напыляемые поверхности, но и прилегающие к ним участки (во избежании переноса загрязнения на напыляемую поверхность). Шпоночные канавки, отверстия для доступа смазки тщательно очищают, промывают и продувают сжатым воздухом. Детали, работавшие длительное время в масленой среде, для удаления масла из пор металла нагревают до 250˚С в нагревательных шкафах или печах, паяльной лампой или газовой горелкой. Чугунные детали, а также детали, полученные методами порошковой металлургии, можно кипятить в специальном сосуде. Этот сосуд заполняют раствором и подогревают. Деталь подвешивают таким образом, чтобы она подвергалась действию образующихся паров. Пары омывают деталь, растворяют находящиеся на ее поверхности жиры, и конденсат, перемешанный с жирами, стекает с детали.
1.2. Механические способы обработки.
Практически все известные способы механической обработки резанием могут быть использованы для предварительной обработки напыляемых поверхностей. Эта операция проводится для обеспечения необходимой технологичности деталей применительно к технологии напыления. Участок поверхности изделия, подлежащий напылению, должен иметь нужную конфигурацию в отношении радиусов закруглений кромок, углов разделки выемок. Часто на поверхностях деталей нарезают мелкую резьбу с шагом 0,5-0,6 мм и углом профиля 60˚. Резец может быть закруглен для предупреждения образования острых углов и получения глубины резьбы, равной половине стандартной. Для очень толстых покрытий и для обеспечения более высокой прочности сцепления нарезают резьбу с шагом 0,8-1мм.
В местах перехода от напыленной части тел вращения с нарезанной рваной резьбы к ненапыленной протачивают канавку, имеющую в разрезе клиновидную форму (рис. 2, а). При динамической нагрузке, когда недопустимо понижение усталостной прочности, возникающее вследствие концентрации напряжений в месте подреза, выбирают другой способ обработки и переход выполняют в соответствии с рис. 2, б. Длину проточки на валу (таблица 2) рекомендуется делать такой, чтобы она превышала длину подшипника приблизительно на 3 мм с каждой стороны. При нанесении покрытия, доходящего до конца вала, целесообразно оставлять на конце последнего буртик шириной 5 мм, на который покрытие не наносят, поскольку концы валов обычно изнашиваются меньше.
Рисунок 2. Переход от напыленной поверхности к ненапыленной: а - при струйно-абразивной обработке; б - при нарезании рваной резьбы.
Таблица №2. Глубина проточек на валу для нанесения покрытий, мм
Обрабатываемые деталиДиаметр вала, мм2526-5051-100101-150150Валы дизельных двигателей и прокатных станов, плунжеры и шатуны насосов и компрессоров и другое оборудование, к которому предъявляются требование максимальной надежности-1,021,271,521,78Подшипники скольжения, втулки и плунжеры насосов, другие устройства, которым необходимо обеспечить обычную работоспособность0,510,761,021,271,52Зубчатые колеса, плунжеры, обрабатываемые в тех местах, где необходимо увеличить размер под прессовую посадку (в этом случае напыление подслоя не применяется)0,250,250,510,510,51
При подготовке поверхности деталей типа тел вращения для нанесения покрытий значительной толщины (0,5 мм и более) самым распространенным способом является нарезание рваной резьбы. Он обеспечивает высокую прочность сцепления при сдвиге покрытия с поверхностью детали (за счет механического сцепления). При нарезании рваной резьбы используют обычный резьбовый резец с углом при вершине 55-60˚. Вершина угла должна иметь радиус закругления 0,3-0,5 мм. Угол резания 80˚. Передний угол резца равен нулю или отрицателен (2-5˚). Резец устанавливают в резцедержателе с вылетом 100-150 мм. Для получения необходимой шероховатости режущую кромку резца смещают ниже оси детали (табл. 3). Вибрация резца вызывает дробление металла на обрабатываемой поверхности, что приводит к шероховатости. При нарезании рваной резьбы диаметр детали немного увеличивается из-за выдавливания металла: при глубине рваной резьбы 0,5 мм и шаге 0,6-0,7 - на 0,2-0,3 мм. Рекомендуются следующие значения шага рваной резьбы: при диаметре до 20 мм - 0,5 мм; при диаметре 25-50 мм - 0,8-1 мм; при диаметре 60-100 мм - 1,5 мм. При нарезке нельзя использовать охлаждающие жидкости.
Таблица №3. Рекомендуемые режимы нарезания рваной резьбы на стальных деталях
Диаметр детали, ммСмещение резца, ммЧастота вращения детали, мин-1Диаметр детали, ммСмещение резца, ммЧастота вращения детали, мин-11013001004,530151,5210150520202150200615252,51352507,513302,5100300910353953501194037540013745370450156503,56050016575445
Параметры рваной резьбы рекомендуется подбирать экспериментально для каждого материала с целью правильного определения размера детали и толщины наносимого покрытия. Выход гребней рваной резьбы на поверхность покрытия уменьшает работоспособность покрытия. Кроме того, рваная резьба значительно снижает циклическую прочность деталей.
Рваную резьбу нарезают за один проход. Она может быть круглой треугольной с закругленными вершинами, грубой пилообразной (рис. 3) и рваной полукруглой. На небольшие детали (диаметром до 80 мм) обычно наносят мелкую треугольную резьбу с глубиной 0,6 мм с шагом 0,8 мм. При обработке изделия большего диаметра наносят резьбу с большим шагом и глубиной. Например, при диаметре 250 мм шаг должен составлять 2 мм, глубина - 1,5 мм, при этом целесообразно наносить пилообразную нарезку с наклоном ниток в противоположные стороны. Резьба такого вида рекомендуется для подготовки втулок и разъемных подшипников.
Рисунок 3. Различные профили рваной резьбы: а - остроугольная нарезка; б - пилообразная нарезка; в - пилообразная нарезка с наклоном витков в противоположные стороны.
После нарезки необходимо контролировать профиль рваной резьбы (рис. 4). Заусенцы, появляющиеся на вершинах профиля рваной резьбы, удаляют шабером или широким резцом при вращении детали. Некоторые материалы, например нержавеющие стали, никелевые сплавы, трудно поддаются нарезке, поэтому после обработки деталей из этих материалов их следует контролировать очень тщательно.
Рисунок 4. Удовлетворительный и неудовлетворительный профили рваной резьбы: а - профиль, обеспечивающий хорошее сцепление напыленного слоя с основным металлом; б - неудовлетворительный профиль, при котором в изолированные и узкие впадины напыляемый материал попадать не будет (РН, РК - положение резца в начале и в конце обработки; α - угол наклона оси резца (в плане) относительно оси детали (должен быть равен 70-75˚); t - шаг резьбы; h1 и h2 - глубина резьбы (0,5-0,8 мм); стрелкой указано направление движения резца).
1.3. Струйно-абразивная обработка.
В целях активации и придания нужной шероховатости напыляемые поверхности наиболее часто подвергают струйно-абразивной обработке. В зависимости от источника энергии, сообщающего движения зернам абразива, различают абразивно-струйной, абразивно-центробежный и абразивно-гравитационный способы очистки поверхностей. Широко распространены абразивно-пневматический и абразивно-центробежный, известные как дробеструйный и дробеметный способы очистки.
Одним из наиболее производительных и экономичных способов очистки деталей сложной формы из всех материалов, применяемых в машиностроении, является абразивно-струйной. Очищенная этим методом поверхность не подвергается коррозии, как при жидкостном энергоносителе. В качестве абразива может быть использован любой из выпускаемый промышленностью.
Конструкция установок для абразивно-струйной очистки деталей состоит из следующих основных узлов: струйного аппарата, системы сбора, регенерации и подачи на повторное использование абразива, системы подготовки воздуха (регулирование давления, осушка и очистка от масла), вентиляции и средств механизации для подачи и установки в требуемом положении очищаемых деталей.
Принцип действия струйного аппарата основан на преобразовании энергии сжатого воздуха в кинетическую энергию потока абразивных частиц. В аппаратах нагнетательного типа (рис. 5) абразив из питательного бункера 1 через клапан 2 периодически подается в камеру 3, находящуюся под давлением. Из камеры абразив поступает в смеситель 4, где подхватывется потоком воздуха, поступающего из магистрали по трубопроводу 7. Смесь воздуха с абразивом по шлангу 6 поступает к соплу 5 и затем в виде струи направляется на обрабатываемую поверхность.
Рисунок 5. Схема дробеструйного аппарата нагнетательного типа: 1 - питательный бункер; 2 - клапан; 3 - камера; 4 - смеситель; 5 - сопло; 6 - шланг; 7 - трубопровод.
Струйные аппараты нагнетательного типа делятся на аппараты периодического и непрерывного действия. Аппараты периодического действия имеют рабочую камеру, в которую засыпается определенная порция абразива. После израсходования аппарат перезаряжают, для чего в рабочей камере снижают давление до атмосферного, открывают клапан 2 и засыпают новую порцию абразива.
Параметры технологического процесса очистки поверхности металлическим песком зависят от физико-механических свойств абразива, параметров носителя абразива (давление сжатого воздуха, скорости его истечения из сопла, расстояния от сопла до обрабатываемой поверхности, угла атаки), а также от физико-механических свойств обрабатываемого материала.
При контакте абразивных зерен с обрабатываемой поверхностью не все зерна выполняют одинаковую работу. Часть зерен, врезаясь в металл, снимает стружку; другая часть, имеющая глубину врезания, меньшую, чем радиус округления режущей кромки, скоблит поверхность без снятия стружки, а третья часть зерен, попадая на металлическую поверхность выдавливает металл в стороны.
В результате воздействия абразивных зерен на обрабатываемую поверхность образуется новый микрорельеф с пластически деформированным слоем. В следствии упругой и пластической деформации, увеличение концентрации дефектов, разрушение микрообъемов, и возникновение остаточных напряжений в поверхностном слое металла происходит изменение физико-механических свойств (микроструктуры, микротвердости и др.). Количественная характеристика изменения непостоянна и зависит от формы, твердости, плотности, размера абразивных зерен, угла атаки и скорости абразивных зерен, характера их движения в момент контакта с обрабатываемой поверхностью, исходных физико-механических свойств обрабатываемого материала и активного носителя абразива. Вследствие струйно-абразивной обработки также происходит изменение микроструктуры и нагрев слоя металла, прилегающего к месту удара. Нагрев вызывает молекулярное взаимодействие (притяжение и схватывание) металла и абразивных зерен, в результате чего могут изменятся вид и интенсивность разрушения. В процессе струйно-абразивной обработки поверхности металла возможно явление наклепа, т.е. образование деформированного упрочненного слоя на глубину 0,2-0,4 мм и более.
Одним из факторов, влияющих на параметры процесса очистки, является концентрация воздушно-абразивной смеси, т.е. отношение массы воздуха, проходящего через сопло в единицу времени, к массе абразива, выбрасываемого соплом за этот же период. Концентрация абразивной смеси зависит от зернистости и марки абразива, ее значение может колебаться в пределах 0,8-4,0 кг*кг^-1. Наибольший удельный съем металла получается при высоких концентрациях абразива в струе. Однако большая насыщенность абразивного потока ведет к частому столкновению зерен в струе до удара о очищаемую поверхность и, как следствие, к увеличению процента износа абразива, что необходимо учитывать при использовании дорогостоящих абразивов.
Угол атаки струи абразива (угол между осью струи абразива и плоскостью очистки) может колебаться от 30 до 90˚. Для очистки поверхности мягких материалов рекомендуется меньшее значение угла, а для более твердых -большее. Необходимо учитывать, что с увеличением угла атаки растет толщина наклепа поверхностного слоя очищаемого изделия, достигая наибольшего значения при постоянных параметрах и значениях угла атаки, близких к 90˚.
Оптимальное расстояние от сопла до обрабатываемой поверхности 150-250 мм. Большее значение рекомендуется для мягких поверхностей, меньшее - для более твердых. Давление воздуха 0,3-0,6 МПа.
Абразивные материалы должны удовлетворять следующим требованиям:
• Геометрические параметры и физико-механические свойства абразивных зерен должны соответствовать материалу очищаемой поверхности;
• Абразив должен обеспечивать высокую производительность процесса при достаточно высокой износостойкости.
Применяемые в промышленности материалы делят на четыре группы:
1. металлические - дробь литая (марки ДЧЛ, ДСЛ) или колотая (марки ДЧК, ДСК) из различных материалов (чугун, сталь); дробь рубленная (марка ДСР) из проволоки и отходов листового проката; стружка (медная, алюминиевая, латунная);
2. Искусственные - стеклянные шарики, карбид кремния (карборунд), оксид алюминия (электрокорунд), дробленый шлак;
3. минеральные - дробленный гранит и др.
4. органические - дробленная скорлупа орехов, опилки твердых пород дерева, дробленные косточки абрикосов, вишен.
Параметры технологического процесса, связанные с геометрической формой зерен, целесообразно учитывать при выборе абразива для конкретного случая. Наиболее рациональной формой абразивного зерна, является изометрическая или близкая к ней. Абразивные зерна изометрической формы целесообразно использовать для струйной обработки поверхности с высокой твердостью при больших ударных нагрузках, т.е. когда энергия удара приближается к энергии раскалывания зерен. При меньших ударных нагрузках, когда обрабатываются поверхности с невысокой твердостью, применяют абразивные зерна других форм, и особенно с выраженной несимметричностью. Мелкие абразивные зерна имеют более острые углы, чем крупные. С уменьшением углов и радиусов округлений граней зерен абразива соответственно уменьшается размер микростружек, снимаемых с обрабатываемой поверхности. При выборе абразивного материала необходимо учитывать состояние обрабатываемой поверхности. Например, применять для грубых операций дробь ДЧК с зернистостью ниже №8 нецелесообразно.
Участки поверхности деталей, не подлежащие напылению, должны быть защищены от воздействия струйно-абразивной обработки экранами или другими приспособлениями. Зона обработки должна быть на 5±2 мм больше зоны напыления. При толщине стенки детали 0,5 мм и менее необходимо применять специальные приспособления и соблюдать меры предосторожности, исключающие чрезмерный съем материала детали и ее коробление. После дробеструйной обработки деталь обдувается сжатым воздухом для удаления частиц абразива с поверхности.
Допустимый разрыв во времени между подготовкой поверхности и металлизацией зависит от условий выполнения работы и не должен превышать 6 - часов в закрытых помещениях (желательно проводить операцию напыления в течении первых двух часов); 3 ч на открытом воздухе в сухую погоду и 30 мин под навесом в сырую погоду. Во избежании ослабления прочности сцепления покрытия с изделием недопустимо попадание на подготовленную поверхность влаги или образования на ней конденсата.
Зависимость расхода абразива от диаметра проточной части сопла приведена в табл. 4.
Таблица №4. Зависимость расхода металлической дроби от условий струйно-абразивной обработки.
Давление воздуха в магистрали, МПа
Давление воздуха в магистрали, МПаДиаметр сопла, мм8101215200,6180/240220/380250/560350/700580/8500,5140/180180/260230/330310/450460/5600,4120/150160/210210/280280/380420/480
Рекомендуемые режимы струйно-абразивной обработки порошком электрокорунда на механизированных установках следующие:
• Давление сжатого воздуха, МПа 0,4-0,6
• Угол атаки струи, град 60-90
• Расстояние от среза сопла пистолета 100-120 до поверхности изделия, мм
• Скорость вращения деталей, м/мин 6-10
• Подача, мм/об 4-6
• Расход абразива, кг/ч 3-5
• Число проходов 2
Примечание: в числителе приведен расход дроби, кг/ч, в знаменателе - расход воздуха м^3/ч.
1.4. Контроль качества покрытия после напыления.
1.5. Механическая обработка покрытия после напыления.
Точением обычно обрабатывают электрометаллизационные покрытия из металлов. При напылении рекомендуется обеспечить заполнение не только выточки, подготовленной под покрытие, но и граничащих с ней участков смежных поверхностей (рис. 6).
Рисунок 6. Рекомендуемая форма сопряжения напыленного покрытия со смежными поверхностями: а - цилиндрическая поверхность; б - плоская поверхность.
Предпочтительно использовать резцы, оснащенные твердым сплавом. Поскольку глубина обработки обычно не превышает 0,6 мм, резание осуществляется в основном закругленной вершиной резца. Резцы с отрицательными значениями передних углов не применяют, обычно передний угол не превышает 8º.
Основные требования к геометрии и установке резцов, оснащенных твердым сплавом, для точения электрометаллизационных покрытий представлены на рисунке 7.
Рисунок 7. Углы и установка резцов, оснащенных твердым сплавом, для точения электрометаллизационных покрытий: а - сечение резца вспомогательной секущей плоскостью (α1 - вспомогательный задний угол, вспомогательный передний угол γ=0); б - установка резца с положительным главным передним углом γ≤8˚ (α=7˚ - главный задний угол); в - установка резца с главным передним углом γ=0; г - установка и углы резца в плане при точении на проход (φ, φ1 - главный и вспомогательный углы в плане); д - то же при точении в упор (R - радиус закругления при вершине резца).
По материалам сайта: http://www.elektal.dp.ua
К изделиям, подготовленным к электродуговому нанесению покрытий, предъявляют следующие требования:
1. Размеры напыляемых деталей должны быть уменьшены (или увеличены) на толщину покрытия.
2. На поверхностях изделий не должно быть заусенцев, сварочных брызг, наплывов пайки, прижогов, остатков флюса, раковин, трещин и пр. Поверхности должны быть очищены от окалины, ржавчины, оксидов и различных загрязнений.
3. Размеры напыляемых внутренних (диаметр, длина) должны соответствовать технической характеристике установки для напыления. При использовании стандартного оборудования покрытие наносится на внутренние поверхности, открытые с двух сторон, если соотношение длины к диаметру не превышает 1,8.
4. Покрытия на выемки и глухие отверстия следует наносить при отношении ширины или диаметра отверстия к глубине не менее 2.
5. Участок поверхности изделия, подлежащий напылению, должен иметь необходимую конфигурацию (рис. 1.).
6. Диапазон толщин наносимых покрытий в основном определяется свойствами материалов покрытия и изделия. Обычно наносятся покрытия толщиной от 15 мкм до 3 мм (в отдельных случаях до 5 мм).
При подготовке поверхности учитывают следующие требования:
1. подготовленная поверхность должна иметь комнатную температуру; если температура изделия ниже 0˚С, перед операцией подготовки его подогревают до комнатной температуры, так как конденсационный слой влаги значительно снижает прочность сцепления покрытия с основным материалом;
2. размеры зоны специальной обработки должны быть на 5-20 мм больше зоны напыления;
3. не следует применять СОЖ;
4. необходимо оберегать подготовленную поверхность от соприкосновения с маслами, жирами, водой и пр.; не трогать руками; при обработке и нанесении покрытий использовать чистый обезжиренный инструмент или рукавицы.
5. при необходимости транспортировки подготовленное изделие следует упаковать в бумагу, специальную тару и пр.
Рисунок 1. Требования к конфигурации поверхности с электродуговыми покрытиями: 1- основной материал изделия; 2 - покрытие.
Выбор способа подготовки поверхности зависит от вида покрытия, его толщины метода напыления, конфигурации и размеров изделия, вида обработки напыленного покрытия и других факторов. Способ подготовки поверхности влияет на прочностные характеристики основы (таблице №1): способы, обеспечивающие поверхностный наклеп (накатка, обработка дробью и др.) повышают усталостную прочность на 20-30%; способы, создающие на изделии концентраторы напряжений и вызывающие неравномерные изменения структуры основного металла (нарезка резьб различных канавок, электроискровая и электродуговая обработка, насечка зубилом и др.), снижают усталостную прочность (до 60%первоночальной). При напылении покрытий толщиной более 1,0 мм на детали, работающие в условиях повышенных нагрузок (особенно срезающих), применяют специальную механическую обработку (нарезание рваной резьбы, фрезерование насечки, фрезерование канавок клиновидной формы, ручная или механизированная насечка, косая сетчатая накатка).
Таблица №1. Влияние способа подготовки поверхности на прочность напыленных деталей.
Способ подготовки поверхностиПредел выносливостиПрочность сцепления (по деформации сдвига), 10^-5Н*м^-210^-1 МН*м^-2% к шлифованной деталиОбработка дробью32,4128,51040Накатка (прямая, косая, перекрестная)30,6121,01000<Пескоструйная обработка27,8110,5345Шлифование25,2100,0- Нарезка треугольная с последующей обработкой дробью24,598,01900Насечка зубилом20,682,0820 Электроискровая обработка19,4-21,277,0-84,0915-1100Нарезка круглая19,477,01670Нарезка круглая с прикаткой вершин18,874,51440 Нарезка треугольная18,874,5 1800Нарезка треугольная с прикаткой вершин17,0 67,51560Электродуговая обработка17,067,5250<Нарезка кольевых канавок16,565,51400Нарезка кольцевых канавок с прикаткой вершин15,361,01130
1.1. Очистка и мойка деталей.
Загрязненные детали и заготовки перед нанесением электродуговых покрытий подвергают тщательной очистке. Особое внимание уделяют восстанавливаемым изношенным деталям, имеющим почвенные загрязнения, остатки топливно-смазочных материалов и затвердевшую смазку, асфальто-смолистые отложения, нагар, продукты коррозии, старые лакокрасочные покрытия пр. При подготовке поверхностей к нанесению любых покрытий перед травлением, нагревом, струйно-абразивной обработкой и электроискровой обработкой поверхность деталей обезжиривают органическими растворителями (бензин, уайт-спиритом, ацетоном, тетрахлорэтиленом, трихлорэтиленом и другими хлористыми углеводородами), моющими составами, щелочными растворами и различными эмульсиями по ГОСТ 9.402-80. От чистоты поверхности детали в значительной степени зависит качество напыления. Наличие на поверхности грязи, оксидных пленок, масла уменьшает прочность сцепления покрытия с металлом детали.
Очистку и мойку выполняют общепринятыми методами (машинная или ручная промывка растворителями, обтирка концами, очистка скребками, обдувка сжатым воздухом). Необходимо тщательно очистить не только напыляемые поверхности, но и прилегающие к ним участки (во избежании переноса загрязнения на напыляемую поверхность). Шпоночные канавки, отверстия для доступа смазки тщательно очищают, промывают и продувают сжатым воздухом. Детали, работавшие длительное время в масленой среде, для удаления масла из пор металла нагревают до 250˚С в нагревательных шкафах или печах, паяльной лампой или газовой горелкой. Чугунные детали, а также детали, полученные методами порошковой металлургии, можно кипятить в специальном сосуде. Этот сосуд заполняют раствором и подогревают. Деталь подвешивают таким образом, чтобы она подвергалась действию образующихся паров. Пары омывают деталь, растворяют находящиеся на ее поверхности жиры, и конденсат, перемешанный с жирами, стекает с детали.
1.2. Механические способы обработки.
Практически все известные способы механической обработки резанием могут быть использованы для предварительной обработки напыляемых поверхностей. Эта операция проводится для обеспечения необходимой технологичности деталей применительно к технологии напыления. Участок поверхности изделия, подлежащий напылению, должен иметь нужную конфигурацию в отношении радиусов закруглений кромок, углов разделки выемок. Часто на поверхностях деталей нарезают мелкую резьбу с шагом 0,5-0,6 мм и углом профиля 60˚. Резец может быть закруглен для предупреждения образования острых углов и получения глубины резьбы, равной половине стандартной. Для очень толстых покрытий и для обеспечения более высокой прочности сцепления нарезают резьбу с шагом 0,8-1мм.
В местах перехода от напыленной части тел вращения с нарезанной рваной резьбы к ненапыленной протачивают канавку, имеющую в разрезе клиновидную форму (рис. 2, а). При динамической нагрузке, когда недопустимо понижение усталостной прочности, возникающее вследствие концентрации напряжений в месте подреза, выбирают другой способ обработки и переход выполняют в соответствии с рис. 2, б. Длину проточки на валу (таблица 2) рекомендуется делать такой, чтобы она превышала длину подшипника приблизительно на 3 мм с каждой стороны. При нанесении покрытия, доходящего до конца вала, целесообразно оставлять на конце последнего буртик шириной 5 мм, на который покрытие не наносят, поскольку концы валов обычно изнашиваются меньше.
Рисунок 2. Переход от напыленной поверхности к ненапыленной: а - при струйно-абразивной обработке; б - при нарезании рваной резьбы.
Таблица №2. Глубина проточек на валу для нанесения покрытий, мм
Обрабатываемые деталиДиаметр вала, мм2526-5051-100101-150150Валы дизельных двигателей и прокатных станов, плунжеры и шатуны насосов и компрессоров и другое оборудование, к которому предъявляются требование максимальной надежности-1,021,271,521,78Подшипники скольжения, втулки и плунжеры насосов, другие устройства, которым необходимо обеспечить обычную работоспособность0,510,761,021,271,52Зубчатые колеса, плунжеры, обрабатываемые в тех местах, где необходимо увеличить размер под прессовую посадку (в этом случае напыление подслоя не применяется)0,250,250,510,510,51
При подготовке поверхности деталей типа тел вращения для нанесения покрытий значительной толщины (0,5 мм и более) самым распространенным способом является нарезание рваной резьбы. Он обеспечивает высокую прочность сцепления при сдвиге покрытия с поверхностью детали (за счет механического сцепления). При нарезании рваной резьбы используют обычный резьбовый резец с углом при вершине 55-60˚. Вершина угла должна иметь радиус закругления 0,3-0,5 мм. Угол резания 80˚. Передний угол резца равен нулю или отрицателен (2-5˚). Резец устанавливают в резцедержателе с вылетом 100-150 мм. Для получения необходимой шероховатости режущую кромку резца смещают ниже оси детали (табл. 3). Вибрация резца вызывает дробление металла на обрабатываемой поверхности, что приводит к шероховатости. При нарезании рваной резьбы диаметр детали немного увеличивается из-за выдавливания металла: при глубине рваной резьбы 0,5 мм и шаге 0,6-0,7 - на 0,2-0,3 мм. Рекомендуются следующие значения шага рваной резьбы: при диаметре до 20 мм - 0,5 мм; при диаметре 25-50 мм - 0,8-1 мм; при диаметре 60-100 мм - 1,5 мм. При нарезке нельзя использовать охлаждающие жидкости.
Таблица №3. Рекомендуемые режимы нарезания рваной резьбы на стальных деталях
Диаметр детали, ммСмещение резца, ммЧастота вращения детали, мин-1Диаметр детали, ммСмещение резца, ммЧастота вращения детали, мин-11013001004,530151,5210150520202150200615252,51352507,513302,5100300910353953501194037540013745370450156503,56050016575445
Параметры рваной резьбы рекомендуется подбирать экспериментально для каждого материала с целью правильного определения размера детали и толщины наносимого покрытия. Выход гребней рваной резьбы на поверхность покрытия уменьшает работоспособность покрытия. Кроме того, рваная резьба значительно снижает циклическую прочность деталей.
Рваную резьбу нарезают за один проход. Она может быть круглой треугольной с закругленными вершинами, грубой пилообразной (рис. 3) и рваной полукруглой. На небольшие детали (диаметром до 80 мм) обычно наносят мелкую треугольную резьбу с глубиной 0,6 мм с шагом 0,8 мм. При обработке изделия большего диаметра наносят резьбу с большим шагом и глубиной. Например, при диаметре 250 мм шаг должен составлять 2 мм, глубина - 1,5 мм, при этом целесообразно наносить пилообразную нарезку с наклоном ниток в противоположные стороны. Резьба такого вида рекомендуется для подготовки втулок и разъемных подшипников.
Рисунок 3. Различные профили рваной резьбы: а - остроугольная нарезка; б - пилообразная нарезка; в - пилообразная нарезка с наклоном витков в противоположные стороны.
После нарезки необходимо контролировать профиль рваной резьбы (рис. 4). Заусенцы, появляющиеся на вершинах профиля рваной резьбы, удаляют шабером или широким резцом при вращении детали. Некоторые материалы, например нержавеющие стали, никелевые сплавы, трудно поддаются нарезке, поэтому после обработки деталей из этих материалов их следует контролировать очень тщательно.
Рисунок 4. Удовлетворительный и неудовлетворительный профили рваной резьбы: а - профиль, обеспечивающий хорошее сцепление напыленного слоя с основным металлом; б - неудовлетворительный профиль, при котором в изолированные и узкие впадины напыляемый материал попадать не будет (РН, РК - положение резца в начале и в конце обработки; α - угол наклона оси резца (в плане) относительно оси детали (должен быть равен 70-75˚); t - шаг резьбы; h1 и h2 - глубина резьбы (0,5-0,8 мм); стрелкой указано направление движения резца).
1.3. Струйно-абразивная обработка.
В целях активации и придания нужной шероховатости напыляемые поверхности наиболее часто подвергают струйно-абразивной обработке. В зависимости от источника энергии, сообщающего движения зернам абразива, различают абразивно-струйной, абразивно-центробежный и абразивно-гравитационный способы очистки поверхностей. Широко распространены абразивно-пневматический и абразивно-центробежный, известные как дробеструйный и дробеметный способы очистки.
Одним из наиболее производительных и экономичных способов очистки деталей сложной формы из всех материалов, применяемых в машиностроении, является абразивно-струйной. Очищенная этим методом поверхность не подвергается коррозии, как при жидкостном энергоносителе. В качестве абразива может быть использован любой из выпускаемый промышленностью.
Конструкция установок для абразивно-струйной очистки деталей состоит из следующих основных узлов: струйного аппарата, системы сбора, регенерации и подачи на повторное использование абразива, системы подготовки воздуха (регулирование давления, осушка и очистка от масла), вентиляции и средств механизации для подачи и установки в требуемом положении очищаемых деталей.
Принцип действия струйного аппарата основан на преобразовании энергии сжатого воздуха в кинетическую энергию потока абразивных частиц. В аппаратах нагнетательного типа (рис. 5) абразив из питательного бункера 1 через клапан 2 периодически подается в камеру 3, находящуюся под давлением. Из камеры абразив поступает в смеситель 4, где подхватывется потоком воздуха, поступающего из магистрали по трубопроводу 7. Смесь воздуха с абразивом по шлангу 6 поступает к соплу 5 и затем в виде струи направляется на обрабатываемую поверхность.
Рисунок 5. Схема дробеструйного аппарата нагнетательного типа: 1 - питательный бункер; 2 - клапан; 3 - камера; 4 - смеситель; 5 - сопло; 6 - шланг; 7 - трубопровод.
Струйные аппараты нагнетательного типа делятся на аппараты периодического и непрерывного действия. Аппараты периодического действия имеют рабочую камеру, в которую засыпается определенная порция абразива. После израсходования аппарат перезаряжают, для чего в рабочей камере снижают давление до атмосферного, открывают клапан 2 и засыпают новую порцию абразива.
Параметры технологического процесса очистки поверхности металлическим песком зависят от физико-механических свойств абразива, параметров носителя абразива (давление сжатого воздуха, скорости его истечения из сопла, расстояния от сопла до обрабатываемой поверхности, угла атаки), а также от физико-механических свойств обрабатываемого материала.
При контакте абразивных зерен с обрабатываемой поверхностью не все зерна выполняют одинаковую работу. Часть зерен, врезаясь в металл, снимает стружку; другая часть, имеющая глубину врезания, меньшую, чем радиус округления режущей кромки, скоблит поверхность без снятия стружки, а третья часть зерен, попадая на металлическую поверхность выдавливает металл в стороны.
В результате воздействия абразивных зерен на обрабатываемую поверхность образуется новый микрорельеф с пластически деформированным слоем. В следствии упругой и пластической деформации, увеличение концентрации дефектов, разрушение микрообъемов, и возникновение остаточных напряжений в поверхностном слое металла происходит изменение физико-механических свойств (микроструктуры, микротвердости и др.). Количественная характеристика изменения непостоянна и зависит от формы, твердости, плотности, размера абразивных зерен, угла атаки и скорости абразивных зерен, характера их движения в момент контакта с обрабатываемой поверхностью, исходных физико-механических свойств обрабатываемого материала и активного носителя абразива. Вследствие струйно-абразивной обработки также происходит изменение микроструктуры и нагрев слоя металла, прилегающего к месту удара. Нагрев вызывает молекулярное взаимодействие (притяжение и схватывание) металла и абразивных зерен, в результате чего могут изменятся вид и интенсивность разрушения. В процессе струйно-абразивной обработки поверхности металла возможно явление наклепа, т.е. образование деформированного упрочненного слоя на глубину 0,2-0,4 мм и более.
Одним из факторов, влияющих на параметры процесса очистки, является концентрация воздушно-абразивной смеси, т.е. отношение массы воздуха, проходящего через сопло в единицу времени, к массе абразива, выбрасываемого соплом за этот же период. Концентрация абразивной смеси зависит от зернистости и марки абразива, ее значение может колебаться в пределах 0,8-4,0 кг*кг^-1. Наибольший удельный съем металла получается при высоких концентрациях абразива в струе. Однако большая насыщенность абразивного потока ведет к частому столкновению зерен в струе до удара о очищаемую поверхность и, как следствие, к увеличению процента износа абразива, что необходимо учитывать при использовании дорогостоящих абразивов.
Угол атаки струи абразива (угол между осью струи абразива и плоскостью очистки) может колебаться от 30 до 90˚. Для очистки поверхности мягких материалов рекомендуется меньшее значение угла, а для более твердых -большее. Необходимо учитывать, что с увеличением угла атаки растет толщина наклепа поверхностного слоя очищаемого изделия, достигая наибольшего значения при постоянных параметрах и значениях угла атаки, близких к 90˚.
Оптимальное расстояние от сопла до обрабатываемой поверхности 150-250 мм. Большее значение рекомендуется для мягких поверхностей, меньшее - для более твердых. Давление воздуха 0,3-0,6 МПа.
Абразивные материалы должны удовлетворять следующим требованиям:
• Геометрические параметры и физико-механические свойства абразивных зерен должны соответствовать материалу очищаемой поверхности;
• Абразив должен обеспечивать высокую производительность процесса при достаточно высокой износостойкости.
Применяемые в промышленности материалы делят на четыре группы:
1. металлические - дробь литая (марки ДЧЛ, ДСЛ) или колотая (марки ДЧК, ДСК) из различных материалов (чугун, сталь); дробь рубленная (марка ДСР) из проволоки и отходов листового проката; стружка (медная, алюминиевая, латунная);
2. Искусственные - стеклянные шарики, карбид кремния (карборунд), оксид алюминия (электрокорунд), дробленый шлак;
3. минеральные - дробленный гранит и др.
4. органические - дробленная скорлупа орехов, опилки твердых пород дерева, дробленные косточки абрикосов, вишен.
Параметры технологического процесса, связанные с геометрической формой зерен, целесообразно учитывать при выборе абразива для конкретного случая. Наиболее рациональной формой абразивного зерна, является изометрическая или близкая к ней. Абразивные зерна изометрической формы целесообразно использовать для струйной обработки поверхности с высокой твердостью при больших ударных нагрузках, т.е. когда энергия удара приближается к энергии раскалывания зерен. При меньших ударных нагрузках, когда обрабатываются поверхности с невысокой твердостью, применяют абразивные зерна других форм, и особенно с выраженной несимметричностью. Мелкие абразивные зерна имеют более острые углы, чем крупные. С уменьшением углов и радиусов округлений граней зерен абразива соответственно уменьшается размер микростружек, снимаемых с обрабатываемой поверхности. При выборе абразивного материала необходимо учитывать состояние обрабатываемой поверхности. Например, применять для грубых операций дробь ДЧК с зернистостью ниже №8 нецелесообразно.
Участки поверхности деталей, не подлежащие напылению, должны быть защищены от воздействия струйно-абразивной обработки экранами или другими приспособлениями. Зона обработки должна быть на 5±2 мм больше зоны напыления. При толщине стенки детали 0,5 мм и менее необходимо применять специальные приспособления и соблюдать меры предосторожности, исключающие чрезмерный съем материала детали и ее коробление. После дробеструйной обработки деталь обдувается сжатым воздухом для удаления частиц абразива с поверхности.
Допустимый разрыв во времени между подготовкой поверхности и металлизацией зависит от условий выполнения работы и не должен превышать 6 - часов в закрытых помещениях (желательно проводить операцию напыления в течении первых двух часов); 3 ч на открытом воздухе в сухую погоду и 30 мин под навесом в сырую погоду. Во избежании ослабления прочности сцепления покрытия с изделием недопустимо попадание на подготовленную поверхность влаги или образования на ней конденсата.
Зависимость расхода абразива от диаметра проточной части сопла приведена в табл. 4.
Таблица №4. Зависимость расхода металлической дроби от условий струйно-абразивной обработки.
Давление воздуха в магистрали, МПа
Давление воздуха в магистрали, МПаДиаметр сопла, мм8101215200,6180/240220/380250/560350/700580/8500,5140/180180/260230/330310/450460/5600,4120/150160/210210/280280/380420/480
Рекомендуемые режимы струйно-абразивной обработки порошком электрокорунда на механизированных установках следующие:
• Давление сжатого воздуха, МПа 0,4-0,6
• Угол атаки струи, град 60-90
• Расстояние от среза сопла пистолета 100-120 до поверхности изделия, мм
• Скорость вращения деталей, м/мин 6-10
• Подача, мм/об 4-6
• Расход абразива, кг/ч 3-5
• Число проходов 2
Примечание: в числителе приведен расход дроби, кг/ч, в знаменателе - расход воздуха м^3/ч.
1.4. Контроль качества покрытия после напыления.
1.5. Механическая обработка покрытия после напыления.
Точением обычно обрабатывают электрометаллизационные покрытия из металлов. При напылении рекомендуется обеспечить заполнение не только выточки, подготовленной под покрытие, но и граничащих с ней участков смежных поверхностей (рис. 6).
Рисунок 6. Рекомендуемая форма сопряжения напыленного покрытия со смежными поверхностями: а - цилиндрическая поверхность; б - плоская поверхность.
Предпочтительно использовать резцы, оснащенные твердым сплавом. Поскольку глубина обработки обычно не превышает 0,6 мм, резание осуществляется в основном закругленной вершиной резца. Резцы с отрицательными значениями передних углов не применяют, обычно передний угол не превышает 8º.
Основные требования к геометрии и установке резцов, оснащенных твердым сплавом, для точения электрометаллизационных покрытий представлены на рисунке 7.
Рисунок 7. Углы и установка резцов, оснащенных твердым сплавом, для точения электрометаллизационных покрытий: а - сечение резца вспомогательной секущей плоскостью (α1 - вспомогательный задний угол, вспомогательный передний угол γ=0); б - установка резца с положительным главным передним углом γ≤8˚ (α=7˚ - главный задний угол); в - установка резца с главным передним углом γ=0; г - установка и углы резца в плане при точении на проход (φ, φ1 - главный и вспомогательный углы в плане); д - то же при точении в упор (R - радиус закругления при вершине резца).
По материалам сайта: http://www.elektal.dp.ua