УДК 621.763
М. А. Белоцерковский, П. Г. Сухоцкий (ИНДМАШ НАН Беларуси)
ОБОРУДОВАНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ АКТИВИРОВАННОГО ГАЗОПЛАМЕННОГО НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ НА ДЕТАЛИ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА
Производимые отечественные и зарубежные установки газопламенного напыления (ГПН) и напыляемые материалы, а также опубликованные методические рекомендации дали возможность решать ряд вопросов, связанных с увеличением срока службы деталей узлов трения, лезвийного почвообрабатывающего инструмента, корпусных деталей и т. д. Однако увеличение номенклатуры восстанавливаемых или упрочняемых деталей и повышающиеся требования к свойствам наносимых покрытий вызывают необходимость расширения области применения возможностей метода ГПН, разработки новых способов и устройств, активирующих процесс напыления и повышающих качество покрытий.
Получение покрытий любым известным методом основано на активации физико-механических процессов взаимодействия между упрочняемой или восстанавливаемой поверхностью и наносимым материалом. Активация необходима для сообщения системе «подложка – наносимый материал» дополнительной энергии, расходуемой на преодоление энергетического барьера и установление связей между покрытием и основой.
Приемы активации, увеличивающие скорость частиц, являются одними из наиболее эффективных, поскольку обеспечивают им наибольшую кинетическую энергию в момент удара о подложку. Чем выше кинетическая энергия частиц, тем большее давление создается при их пластическом деформировании (согласно уравнению Бернулли давление растет пропорционально квадрату скорости), тем больше имеется предпосылок для химического взаимодействия напыляемого материала и подложки. Однако с увеличением скорости полета сокращается время пребывания частиц в высокотемпературной зоне факела пламени, и длина этой зоны из-за возрастающей турбулентности струи уменьшается. Расчеты показывают, что для обеспечения пластической деформации при ударе о подложку непрогретых частиц их скорость должна быть более 400 м/с. Следовательно, имеется предел в увеличении динамических параметров частиц.
Таким образом, важнейшей задачей в области исследования процессов и явлений, протекающих при газопламенном напылении, является изыскание новых приемов (или их совокупности) активации, позволяющих совершить качественный скачок в свойствах покрытий и диапазоне наносимых материалов. Целесообразность их использования должна прежде всего отвечать требованиям отечественных предприятий, а затраты на освоение – соответствовать решаемым проблемам.
При напылении на наружные поверхности наиболее простым методом повышения динамических параметров газопорошкового потока является активация газовыми струями, обжимающими факел пламени и ускоряющими полет частиц [1]. Разработанный в ИНДМАШ воздушный активатор выполнен таким образом, чтобы угол атаки струи воздуха по отношению к оси факела пламени мог изменяться от 0 до 70 °С [2]. При нулевом угле, то есть когда оси воздушных струй активатора параллельны оси факела (схема, реализуемая в установках фирмы «Castolin + Eutectic»), заметное увеличение скорости полета частиц на дистанции 100 – 150 мм удается получить при давлении воздуха в рукаве более 0,4 МПа (при расходе 0,35 м3/мин). Для увеличения скорости полета частиц окиси алюминия с 40 до 52 м/с необходимо увеличить давление до 0,55 МПа. На дистанции свыше 150 мм воздействие струи активатора незначительно. С увеличением угла атаки струй скорость полета частиц на дистанции 100–150 мм возрастает, достигая своего максимума при углах атаки около 30 оС, то есть на расстоянии около 100 мм от среза сопла термораспылительного пистолета. Дальнейшее изменение угла снижает скорость, и при углах более 55 оС струи оказывают тормозящее действие. Повышение давления воздуха от 0,2 до 0,65 МПа вызывает пропорциональное увеличение скорости частиц. С ростом размера частиц порошка снижается их максимальная скорость и удлиняется дистанция до точки максимального разгона. Поскольку время пребывания частиц в высокотемпературном потоке уменьшается с увеличением скорости, падает и степень их термической активации. Исходя из этого, активатор целесообразно использовать при напылении мелких фракций.
Достаточно сложную задачу представляет собой формирование методом ГПН покрытий из порошковых материалов с низкой теплопроводностью (ситаллов, стеклоэмалей). С одной стороны нельзя увеличить температуру пламени, с другой – невозможно уменьшить скорость полета частиц для улучшения условий их нагрева без снижения величины теплового потока факела. Учитывая эти ограничения и потенциальные возможности отечественных изготовителей оборудования для ГПН, решалась задача разработки методов и устройств, позволяющих при минимальных дополнительных затратах напылять порошковые материалы с низкой теплопроводностью.
В технике газопламенной обработки известен эффект «отрыва пламени», когда скорость истечения горючей смеси из соплового канала превышает на определенную величину скорость горения данной горючей смеси [4]. Используя это явление, было предложено образовывать вторичный факел на некотором расстоянии от сопла термораспылителя за счет высокой скорости истечения рабочей смеси газов [5]. Расстояние, на котором горит вторичный факел, зависит от того, насколько скорость истечения струи больше скорости горения данного горючего газа в турбулентном потоке. Первичный факел формировали путем сгорания ацетиленкислородной смеси (или пропан-бутан-кислородной смеси), вторичный – при сгорании пропан-бутан-кислородной смеси, подаваемой с расходом около 7 м3/ч. Активную зону факела удалось увеличить более чем на 100 мм.
При газопламенном напылении проволочных материалов существенное влияние на качество покрытий оказывает конструкция распылительной головки пистолета для напыления. Она должна обеспечивать эффективный теплообмен между пламенем и напыляемым материалом, что может быть достигнуто повышением эффективной мощности распылительной головки. Эти показатели, а также стабильность горения зависят от качества смешения рабочих газов.
Практически во всех известных газосмесительных устройствах горелок для газопламенного напыления горючий газ и кислород смешиваются в гладких прямых каналах, где невозможно развитое турбулентное течение газовой смеси. Это снижает качество покрытий, особенно при работе на пропан-бутане, имеющем более высокую, по сравнению с ацетиленом, плотность и вязкость. Режим течения горючего газа и кислорода в каналах газосмесительного устройства, а значит, и качество смеси характеризуется числом Рейнольдса, причем развитое турбулентное течение в прямых цилиндрических каналах происходит Рейнольдса Re = 104. Однако расчетами установлено, что у газосмесительных устройств существующих горелок для газопламенного напыления Re не превышает 2,15·103. С использованием явления «вторичной циркуляции» при течении смеси в изогнутых каналах было разработано газосмесительное устройство для установки проволочной «ТЕРКО» [6], в котором горючий газ и кислород движутся по пересекающимся винтовым траекториям. Благодаря этому обеспечивается создание развитого турбулентного течения при Re = (7,1 – 7,8)·103. Для наибольшей интенсивности перемешивания рабочих газов было предложено разделить полость газосмесительной камеры пористыми перегородками [7].
Для получения мелкодисперсного распыла, кроме точного соблюдения режимов напыления, необходимо строгое соответствие глубины камеры под воздушной головкой (обжимным соплом) распыляемому материалу и применяемому горючему газу, т. е. определенная длина зоны воздействия газовых потоков на проволоку. Анализ результатов экспериментальных исследований, проведенных в ИНДМАШ НАН Беларуси по напылению различных проволочных и прутковых материалов с целью оптимизации режимов формирования покрытий, показал, что расстояние от переднего торца соплового наконечника до выходного отверстия воздушной головки определенным образом зависит от температуры плавления напыляемого материала. Для установки «ТЕРКО» было разработано устройство, позволяющее реализовать полученную зависимость и изменять объем воздушной камеры без замены воздушной головки.
Эффективность процесса распыления проволок и свойства покрытий обусловлены динамическими параметрами двухфазного потока, сформированного продуктами сгорания рабочих газов, распыляющим воздухом и частицами распыленной проволоки. Управляя скоростью частиц путем изменения рабочих режимов термораспылителя или дистанции напыления, можно наносить покрытия с различной пористостью, проницаемостью, прочностью сцепления и т. д. Исследования, проведенные на установке «ТЕРКО», показали, что максимальное увеличение значений скорости полета частиц наблюдается с повышением расхода распыляющего воздуха Q от 0,20 до 0,36 м3/мин, при этом увеличивается и количество мелких фракций, обусловливающее плотность наносимых покрытий. Однако с ростом количества ультрамелких (менее 5 мкм) частиц наблюдается уменьшение коэффициента использования напыляемого материала, и снижаются физико-механические характеристики покрытий. Последнее обусловлено тем, что ультрамелкие частицы сильнее окисляются и резко возрастает количество окислов в наносимом слое. Таким образом, наиболее оптимальные значения расхода воздуха находятся в пределах 0,32 – 0,40 м3/мин. При этом распыление стальных проволок обеспечивает следующий гранулометрический состав: от 5 до 10 мкм – 40%, от 10 до 15 мкм – 33%, от 15 до 40 мкм – 20%, от 40 до 50 мкм – 5%, от 50 до 100 мкм – 2%.
Для обеспечения получения более равномерного по грануляции мелкодисперсного распыла проволок из тугоплавких металлов и сплавов было предложено генерировать в обжимающем газовом (воздушном) потоке высокочастотные акустические колебания с высоким уровнем звукового давления [8]. Акустическое воздействие распыляющего потока препятствует вытягиванию расплавленного металла в нить и вызывает отрыв капель металла с поверхности и вершины конуса плавящегося участка проволоки. Оторвавшиеся капли разрушаются турбулентными пульсациями давления, вызванными мощным звуковым полем.
Исследование влияния акустического воздействия на воздушный поток при распылении стальной проволоки и на механизм образования распыляемых частиц показало, что для получения частиц размером 5…15 мкм в количестве (nx) 85…90% от их общего количества (n) необходимо генерировать колебания с частотой 24…48 кГц. Повышение уровня звукового давления от 160 дБ до 180 дБ позволяет увеличить в 1,3 раза nx, причем максимальные значения nx достигаются при меньших частотах генерируемых колебаний.
С учетом полученных результатов были определены наиболее рациональные режимы процесса активированного газопламенного распыления проволочных материалов при его реализации в технологиях восстановления изношенных поверхностей валов главных масляных насосов, вентиляторов, водяных насосов, главных и входных валов тягового подвижного состава, вкладышей моторно-осевых подшипников, шеек коленчатых валов ДВС, крышек и якорей электродвигателей. Данные технологии и установки активированного газопламенного распыления проволочных материалов «ТЕРКО» используются в локомотивных депо Гомеля, Казани, Могилева, Орши, Барановичей, Витебска, Волковыска, Бреста, Лиды, в авторемонтных предприятиях Минска, Мурманска, Краснодара, Клайпеды.
Список литературы
1. Casto Dyn system 2000 //Bulletin Castolin + Eutectic: Suisse, Lausanne. 1985. 4 р.
2. А. Оценка эффективности использования воздушных активаторов при газопламенном напылении // Современные технологические процессы упрочнения и восстановления деталей: Тез. докл. конф. Новополоцк, 1991. С. 21.
3. А., Т. Активация процесса газопламенного напыления воздушными струями // Сварочное производство. 1992. № 3. С. 7–8.
4. Бартльме Ф. Газодинамика горения. М.: Энергия, 1981. 279 с.
5. Пат. № 000 СССР, МКИ С23С 4/12. Способ газопламенного напыления порошковых материалов / В. А. Чагаев, М. А. Белоцерковский, Ю. В. Полупан, В. Т. Сахнович, И. Л. Пунтус. Опубл. в Б. И. №1. 1993.
6. А. Разработка экономичного и высокоэффективного оборудования для газопламенного напыления // Наука производству. 1999. №6. С.14–16.
7. Пат. РФ 2027527, МКИ В05В 7/20. Горелка для газопламенного напыления покрытий / В. А. Чагаев, В. Т. Сахнович, А. К. Шипай, Ю. В. Полупан, М. А. Белоцерковский, И. Л. Пунтус. Опубл. 27.01.95. Бюл. № 3. 5 с.
Основные порталы (построено редакторами)