Всё для надежной сварки
Печатная версия материала с сайта svarkainfo.ru - портала о сварке. При использовании материалов с сайта, пожалуйста, всегда указывайте источник или гиперссылку.
показать меню

Главная / Библиотека / Наш блог (статьи) / Эффективность применения активированной дуговой металлизации для нанесения защитных покрытий

Наш блог (статьи)

Эффективность применения активированной дуговой металлизации для нанесения защитных покрытий

Нанесение покрытий. Оборудование: Разработанный способ активированной дуговой металлизации (АДМ) обеспечивает повышение коэффициента использования и лучшую защиту распыляемого металла от взаимодействия с газами атмосферы в сравнении с типовой электрометаллизацией. При этом производительность и тепловая эффективность процесса остались на уровне ЭДМ. Применение АДМ дает возможность обеспечить стабильное качество покрытий при решении типовых задач восстановления деталей машин и нанесения антикоррозионных покрытий. Сварочное оборудование...

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, табл. 1, показывают, что в аналогичных производственных условиях АДМ обеспечивает значительно более высокую надежность в сравнении с ЭДМ.

Табл. 1. Статистические данные по разрушению покрытий на деталях, выполненных способами АДМ (аппарат АДМ - 10) и ЭДМ.

Предприятие Краткое описание деталей Объем партии, шт/год Срок наблюдения, лет Дефект % брака
ЭДМ АДМ
ФГУП "Уралтрансмаш", Екатеринбург Шейки валов (ходовая часть троллейбусов) 300 - 400 3 Скол покрытия при 4 (аппарат ЭМ-17) 0.2
ОАО "Сибур-химпром", Пермь Подшипниковые гнезда крышек электродвигателей 360 - 600 2 механической обработке* 62 (аппарат ЭМ-14) 1.5

* - Разрушение покрытия после механической обработки при эксплуатации происходило на (0.1 – 0.2) % деталей в течение всего срока наблюдения

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 (рис. 3), 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 (рис. 4). 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.

Рис. 1. Объем рынка технологий газотермического напыления

Рис. 2. Относительная стоимость покрытий, получаемых различными способами газотермического напыления

Рис. 3. Адгезия покрытий для различных способов ГТН и шероховатости основы. При АДМ использована проволока Св-04Х19Н9, при ПН – порошок СНГН 55 (16Cr, 4Si, 4B, 4Fe, Ni ост.)

Рис. 4. Влияние толщины покрытия на газопроницаемость (Г). Проволока Св-04Х19Н9, дистанция напыления – 100 мм, ток 180 А, напряжение 30 В

Выводы:

  1. Тепловая эффективность электродуговой металлизации выше, чем у других способов газотермического напыления вследствие физических особенностей процесса.
  2. Активированная дуговая металлизация обеспечивает повышенные свойства покрытий в сравнении с типовой электрометаллизацией. Ее использование дает возможность обеспечить стабильное качество покрытий при решении типовых задач восстановления деталей машин и нанесения антикоррозионных покрытий.

Литература

  1. http://www.cetim.fr
  2. Харламов Ю. А. Газотермическое напыление покрытий и экологичность производства, эксплуатации и ремонта машин. // Тяжелое машиностроение. 2000. № 2. С. 10 – 13.
  3. Вахалин В. А., Кудинов В. В., Белащенко В. Е. Исследование эффективного КПД при нагреве электродов и коэффициента использования материалов при электродуговой металлизации. // Физика, химия обработки материалов. 1985. № 5. С. 65 – 69.
  4. Кудинов В. В. Плазменные покрытия. – М.: Наука, 1977. – 184 с.
  5. Korobov Yu., Ogorodnikova O., Maltsev D. Electro arc metallization – liquid metal behavior at electrode end faces. // Mathematical modeling and simulation of metal technologies. Int. Conf. MMT-2002, Israel, 2002, p. 88 - 95.
  6. Коробов Ю. С., Бороненков В. Н. Кинетика взаимодействия напыляемого металла с кислородом при электродуговой металлизации. // Сварочное производство. 2003. № 7. С. 30 – 36.
  7. Коробов Ю. С., Бороненков В. Н. Расчет параметром движения, нагрева и окисления частиц при электродуговой металлизации. // Сварочное производство. 1998. № 3. С. 9-13.
  8. Коробов Ю. С., Изоитко В. М., Прядко А. С., Луканин В. Л. Восстановление деталей методом активированной дуговой металлизации. // Автомобильная промышленность. 2000. № 1. С. 23 - 24.
  9. Коробов Ю. С., Полякова А. М., Яковлева И. Л., Счастливцев В. М., Прядко А. С. Структура и свойства стальных покрытий, нанесенных методом активированной дуговой металлизации. // Сварочное производство. 1997. № 1. С. 4-6.
  10. Прядко А. С., Коробов Ю. С., Черепко А. Е. Влияние подготовки поверхности на качество антикоррозионных покрытий при активированной дуговой металлизации. // Наплавка и напыление как эффективные способы повышения срока службы деталей машин и оборудования. Тез. докл. Российской НТК. Екатеринбург. 2002. С. 96 – 99.
  11. Харламов Ю. А., Борисов Ю. С. Влияние микрорельефа поверхности на прочность сцепления с газотермическими покрытиями. // Автоматическая сварка. 2001. № 6. С. 19 - 26.
Автор: Коробов Юрий Станиславович
Все документы автора