Раскрывается сущность металлизации восстанавливаемых поверхностей деталей машин. Приведена классификация металлизации, методика нанесения и основные технологические аспекты. Приведены достоинства и недостатки каждого способа металлизации.
Ключевые слова: металлизация, восстанавливаемая поверхность, плазма, технологический процесс, металл, восстановление деталей.
Металлизация — это один из способов нанесения металлических покрытий на изношенные поверхности, восстанавливаемых деталей [1–5]. Сущность процесса металлизации состоит в распылении предварительно расплавленного металла струей сжатого газа (воздуха) на мелкие частицы, которые, имея высокую скорость полета при ударе о поверхность детали, деформируются, внедряются в ее поры и неровности и образуют металлическое покрытие [1]. Соединение частичек металла с поверхностью детали носит в основном механический характер и только в отдельных точках имеет место сваривание основного и присадочного материала.
Основными достоинствами металлизации как способа нанесения покрытий при восстановлении деталей являются: высокая производительность процесса, небольшой нагрев детали (120–180°С), высокая износостойкость покрытия, простота технологического процесса и применяемого оборудования, возможность нанесения покрытий толщиной от 0,1 до 10 мм и более из любых металлов и сплавов. К недостаткам процесса следует отнести пониженную механическую прочность покрытия и сравнительно невысокую прочность покрытия, и сравнительно невысокую прочность сцепления его с подложкой [1–5].
В зависимости от вида тепловой энергии, используемой в металлизационных аппаратах для плавления металла, различают четыре основных способа металлизации: газопламенную, электродуговую, высокочастотную и плазменную.
Газопламенная металлизация осуществляется при помощи специальных аппаратов, в которых плавление исходного металла (проволоки) производится ацетиленокислородным пламенем, а распыление его — струей сжатого воздуха. Достоинствами газопламенной металлизации являются: небольшое окисление металла, мелкий его распыл, достаточно высокая прочность покрытия. К недостаткам следует отнести сравнительно невысокую производительность процесса и известную сложность установки.
Электродуговая металлизация производится аппаратами, в которых плавление металла осуществляется электрической дугой, горящей между двумя проволоками, а распыление — струей сжатого воздуха. Электродуговая металлизация отличается высокой производительностью процесса, экономичностью, простотой применяемого оборудования. К числу ее недостатков следует отнести повышенное окисление металла и как следствие — сравнительно невысокую прочность покрытия и прочность его сцепления с поверхностью детали.
Высокочастотная металлизация основана на использовании принципа индукционного нагрева при плавлении исходного материала покрытия (проволоки). Распыление металла производится струей сжатого воздуха. Головка высокочастотного металлизатора имеет индуктор, питаемый от генератора токов высокой частоты, и концентратор тока, который обеспечивает плавление проволоки на небольшом участке ее длины.
Преимуществами высокочастотной металлизации являются небольшое окисление металла благодаря возможности регулирования температуры его нагрева и достаточно высокая механическая прочность покрытия. К числу недостатков следует отнести сложность и высокую стоимость применяемого оборудования.
Плазменная металлизация это достаточно новый способ нанесения металлических покрытий напылением, при котором для расплавления и переноса металла на поверхность детали используются тепловые и динамические свойства плазменной струи. Плазменная струя представляет собой частично или полностью ионизированный газ, обладающий свойством электропроводности и имеющий высокую температуру. Плазменную струю получают путём нагрева плазмообразующего газа в электрической дуге, горящей в закрытом пространстве. Устройства для получения плазменной струи получили наименования плазменных горелок или плазмотронов. Плазмотрон, применяемый при металлизации, состоит из охлаждаемых водой катода и анода (сопла). Катод изготавливают обычно из лантанированного вольфрама, а анод (сопло) — из меди. Катод и анод изолированы друг от друга прокладкой из изоляционного материала.
Для получения плазменной струи между катодом и анодом возбуждают электрическую дугу от источника постоянного тока напряжением 80–100 В. Плазмообразующий газ, введенный в зону горения электрической дуги, ионизируется и выходит из сопла плазмотрона в виде струи небольшого сечения. Обжатию плазменной струи способствуют холодные стенки канала сопла плазмотрона и электромагнитное поле, возникающее вокруг струи. Небольшое сечение плазменной струи, и её высокая электропроводность значительно повышают плотность тока и, следовательно, температуру газа и скорость его истечения. Температура плазменной струив зависимости от силы тока дуги и расхода плазмообразующего газа достигает 10–30 тыс. °С, а скорость истечения — 1000–1500 м/с.
В качестве плазмообразующих газов используют аргон и азот. Аргонная плазма имеет наиболее высокую температуру — до 15–30 тыс. °С. Температура азотной плазмы ниже (10–15 тыс. °С), но она имеет более высокое теплосодержание. Учитывая это, а также низкую стоимость, азот и нашел широкое применение в качестве плазмообразующего газа при плазменной металлизации.
Исходный материал покрытия при плазменной металлизации вводится в сопло плазмотрона в виде порошка с размером частиц от 50 до 200 мкм. Подача порошка производится из дозатора при помощи транспортирующего газа (азота). Дозатор определяет расход порошка и, следовательно, производительность процесса напыления. Расход порошка можно плавно регулировать в пределах от 5 до 12 кг/ч. Попадая в плазменную струю, металлический порошок расплавляется и увлекаемый плазменной струей, наносится на поверхность детали, образуя покрытие. Наибольшей скорости полета, расплавленные частицы порошка достигают на расстоянии 50–80 мм от среза сопла плазмотрона. Скорость полет металлических частиц зависит от тока дуги и расхода плазмообразующего газа и составляет 150–200 м/с. Большая скорость полета частиц исходного материала и высокая температура их нагрева в момент встречи с подложкой обеспечивают более высокие, чем при других способах металлизации, механические свойства покрытия и более прочное соединение его с поверхностью деталей. Предел прочности покрытия на растяжение составляет 20–25 кгс/мм2. Твердость покрытия в зависимости от состава исходного материала может быть получена в пределах 30–60 HRC. Прочность сцепления покрытия с подложкой при испытании на отрыв достигает 400–500 кгс/см2. Износостойкость покрытия в 1,5–2 раза выше, чем износостойкость стали 45, закаленной до твердости 58–62 HRC. Покрытие не снижает усталостной прочности деталей.
Высокая температура плазменной струи позволяет наносить покрытия практически из любых материалов, в том числе из особо жаростойких и износостойких сплавов. Процесс плазменной металлизации имеет высокую производительность (до 12 кг/ч) и позволяет полностью автоматизировать нанесение покрытия на детали. Все эти достоинства процесса плазменной металлизации позволяют сделать вывод о возможности его широкого применения при восстановлении автомобильных деталей. Металлизация как способ восстановления деталей применяется для восстановления наружных и внутренних цилиндрических поверхностей деталей.
Технологический процесс восстановления деталей способом металлизации складывается из трех основных групп операций: подготовки деталей к металлизации, нанесения покрытия и обработки детален после металлизации.
Подготовка деталей к металлизации имеет целью обеспечить прочное сцепление покрытия с поверхностью детали. Процесс подготовки поверхности детали к металлизации включает: обезжиривание и очистку от загрязнений, механическую обработку, создание шероховатости на поверхности детали и защиту поверхностей, не подлежащих металлизации.
При механической обработке с поверхности детали снимают такой слой металла, чтобы после окончательной обработки детали после металлизации на ее поверхности оставалось покрытие толщиной не менее 0,5–0,8 мм. Необходимую шероховатость поверхности деталей получают путем дробеструйной обработки или накаткой зубчатым роликом. Дробеструйная обработка является наиболее производительным способом создания шероховатости и обеспечивает прочное сцепление покрытия с поверхностью детали. Дробеструйную обработку производят в специальных камерах чугунной дробью. Накатку поверхности детали производят на токарных станках однорядным зубчатым роликом диаметром 60 мм с углом заострения зуба 40–60°, при установке ролика по отношению к детали под углом 30° с обеспечением продольной подачи ролика в пределах 1,5–2 мм/об детали. Накатку для создания шероховатости применяют при восстановлении металлизацией деталей с твердостью не более 350–400 НВ.
После подготовки поверхности детали к металлизации приступают к нанесению покрытия. Промежуток времени между подготовкой и нанесением покрытия должен быть минимальным и не превышать 1,5–2 ч.
Нанесение металлизационных покрытий производится при помощи специальных аппаратов — металлизаторов. При плазменной металлизации применяются специальные установки, включающие в себя плазменную металлизационную горелку (плазмотрон); пульт управления; порошковый питатель (дозатор), обеспечивающий подачу металлического порошка в горелку и источник питания.
Металлизация восстанавливаемых поверхностей деталей транспортно-технологических машин и комплексов находит достаточно широкое применение в ремонтном производстве. Наряду с гальваническими методами, которые реализуются с помощью специальных устройств, металлизация также нуждается в совершенствовании для обеспечения наиболее рационального восстановления изношенных поверхностей [6–8].
Применение металлизации достаточно распространено не только в авторемонтном производстве, но и при обслуживании сельскохозяйственных машин и оборудования [9].
Литература:
1. Захаров, Ю. А. Совершенствование технологии восстановления посадочных отверстий корпусных деталей проточным электролитическим цинкованием: дис. … канд. техн. наук [Текст] / Ю. А. Захаров. — Пенза, 2001. — 170 с.
2. Захаров, Ю. А. Анализ способов восстановления посадочных отверстий корпусных деталей машин [Текст] / Ю. А. Захаров, Е. Г. Рылякин, А. В. Лахно // Молодой ученый. — 2014. — № 16. — С. 68–71.
3. Захаров, Ю. А. Восстановление посадочных поверхностей корпусных деталей машин проточным гальваническим цинкованием [Текст] / Ю. А. Захаров, Е. Г. Рылякин, И. Н. Семов // Молодой ученый. — 2014. — № 17. — С. 58–62.
4. Рылякин, Е. Г. Повышение работоспособности гидропривода транспортно-технологических машин в условиях низких температур [Текст] / Е. Г. Рылякин, Ю. А. Захаров // Мир транспорта и технологических машин. — № 1 (44). — Январь-Март 2014. –
5. С. 69–72.
6. Обеспечение работы мобильных машин в условиях отрицательных температур [Текст] / Ю. А. Захаров, Е. Г. Рылякин, И. Н. Семов [и др.] // Молодой ученый. — 2014. — № 17. — С. 56–58.
7. Пат. 2155827 РФ, МПК: 7C 25D 5/06 A. Устройство для электролитического нанесения покрытий [Текст] / И. А. Спицын, Ю. А. Захаров // заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «Пензенская государственная сельскохозяйственная академия» (РФ). — № 99115796/02, Заявлено 16.07.1999; Опубл. 10.09.2000.
8. Пат. 70366 Российская Федерация, МПК G01M. Инерционный нагружатель [Текст] / Власов П. А., Власов М. В., Захаров Ю. А.; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «Пензенская государственная сельскохозяйственная академия» (RU). — № 2007108571; заявл. 07.03.2007; опубл. 20.08.2008, Бюл. № 2. — 2 с.
9. Пат. 2503753 Российская Федерация, МПК: C25D19/00. Устройство для гальваномеханического осаждения покрытий [Текст] / Ю. А. Захаров, И. А. Спицын; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «Пензенская государственная сельскохозяйственная академия» (RU). — № 2012149639/02, заявл. 21.11.2012; опубл. 10.01.2014, Бюл. № 1. — 9 с.
10. Сёмов, И. Н. Разработка и обоснование конструктивно-режимных параметров дискового высевающего аппарата с подпружиненным выталкивателем семян сахарной свеклы [текст]: дисс. … канд. техн. наук: 05.20.01: защищена 15.06.2007 утв. 02.11.2007 / Сёмов Иван Николаевич. — Пенза, 2007–130 с.
