Для возбуждения дугового разряда и получения начальной ионизации обычно два электрода или электрод и деталь сводят до соприкосновения, а затем быстро разводят. Ток между электродами проходит через мелкие неровности на торцах и разогревает их до расплавления. При быстром разведении электродов расплавляемые мостики растягиваются и сужаются. В результате этого при высокой температуре паров металла наступает ионизация промежутка и возникает дуговой разряд (рисунок 2.2). Наименьшими потенциалами ионизации обладают щелочно-земельные металлы (калий, кальций) и их соединения, которые входят в состав электродных покрытий. Разряд поддерживается как стационарная устойчивая дуга, если сохраняются факторы, вызывающие ионизацию дугового промежутка. Если между электродами существует достаточная разность потенциалов, то полет заряженных частиц ориентируется электрическим полем и устанавливается стабильная дуга.

При наплавке в прямой полярности (деталь подключена к положительному полюсу) увеличивается глубина проплавления детали и количество наплавленного металла. Обратную полярность (деталь подключена к отрицательному полюсу) применяют в тех случаях, когда необходимо уменьшить нагрев деталей. Дуговую наплавку (сварку) обычно применяют при незначительном объеме работ, а также при нанесении наплавочного слоя на поверхности в различных пространственных положениях.

Производительность дуговой наплавки (сварки) зависит от многих факторов. Применение специальных стендов и приспособлений, позволяющих ускорять установку и повороты наплавляемых деталей, повышает производительность на 15…20% и существенно облегчает выполнение вспомогательных работ. Производительность наплавки повышается также при использовании присадочного прутка, пучка электродов и трехфазной дуги [5, 9].

Недостатки: в процессе сварки и наплавки наблюдается неравномерный нагрев и охлаждение шва и околошовной области, что приводит к появлению трещин. Одним из распространенных дефектов наплавки также является пористость шва.



Рисунок 2.3 - Схема дуговой наплавки

2) В основу вибродуговой наплавки положены методы контактной сварки металлов и электрической дуги. К наплавляемой поверхности вращающейся детали подают электродную проволоку, которой сообщается колебательное движение с периодическим замыканием дугового промежутка и принудительным переносом электродного металла в наплавочную ванночку. При размыкании образуется дуга напряжением 12. . . 28В и более, в результате чего происходит оплавление поверхности детали и плавление электродной проволоки.

Наплавка ведется на постоянном токе обратной полярности, чем достигается лучшая стабильность процесса. При прямой полярности соединение наплавочного слоя непрочное, легко отслаивается. Обратная полярность дает надежное соединение металлов.

При вибродуговой наплавке применяют сварочную углеродистую или легированную проволоку диаметром 1-3 мм. Характер структур, образующихся в наплавленном металле и зоне термического влияния, зависит от химического состава электродной проволоки, основного металла, температуры и длительности максимального нагрева рассматриваемого участка и охлаждающей жидкости. Опыт показывает, что при вибродуговой наплавке свойства наплавленного металла характеризуется пятнистостью (твердость, структура и др.) [5].

Достоинства: незначительная зона термического воздействия, достаточно высокая производительность.

Недостатки: снижение усталостной прочности.

3) Газовая наплавка - это нанесение присадочного слоя металла на основной, расплавляемый на небольшую глубину в газовой среде. Наплавку применяют для восстановления изношенных деталей и для придания слою металла особых свойств - коррозионной и износостойкости, твердости и т.п.

На детали из стали и чугуна наплавляют цветные металлы (медь, латунь, бронзу), легированные стали, чугун, а также специальные твердые сплавы. Для получения требуемой глубины проплавления необходимо регулировать степень нагрева основного и наплавочного металла. При газовой наплавке это делать легче, так как основной и присадочный металлы нагреваются раздельно. Газокислородное пламя также защищает наплавленный металл от окисления его кислородом воздуха и от испарения элементов, входящих в состав наплавляемого металла.

При газовой наплавке на предварительно нагретую поверхность направляют пламя, но не доводят основной металл до расплавления. Затем подают присадку и, расплавляя ее, наплавляют металл, добиваясь его растекания по нагретой поверхности. Для очистки наплавляемой поверхности от оксидов применяют флюсы, как при сварке, так и при пайке.

Газовую наплавку применяют преимущественно для латунных, стальных или чугунных деталей, поверхности которых изнашиваются [5].

Недостатки: низкая производительность; увеличенная зона нагрева основного металла, что приводит к возникновению остаточных напряжений и деформаций в деталях.

Газотермические методы. Газотермические методы нанесения покрытий, включающие газопламенную металлизацию, электродуговую, плазменную, высокочастотную индукционную металлизацию и детонационное напыление покрытий, повышают износостойкость, коррозионную стойкость, жаропрочность, восстанавливают изношенные покрытия. Напылением можно наносить различные покрытия на детали из самых разнообразных материалов (металлы и сплавы, оксиды, карбиды, бориды, стекло, фарфор, органические материалы). Напыление осуществляют на большей площади и локально, на небольших участках крупногабаритных конструкций. Основной материал, на которые наносятся покрытия, не испытывает значительного нагревания.

Важным условием эффективности указанных методов является тщательная предварительная подготовка поверхностей под покрытием [10].

Газопламенное напыление - распыление в пламени горючих газов в смеси с кислородом металлического порошка и нанесение его на предварительно подготовленную изношенную поверхность. Схема газопламенной металлизации представлена на рисунке 2.3.

Газопламенное напыление используют при восстановлении деталей типа «вал», не имеющих деформаций или изменений структуры основного металла.

Газопламенное напыление осуществляется за счет теплоты, образуемой в результате сгорания различных горючих газов в среде кислорода. Из горючих газов наибольшее применение получил ацетилен, сгорание которого в смеси с кислородом позволяет получить температуру пламени порядка 3100-3200⁰С, что на 500-800⁰С выше температуры его заменителей.

В зависимости от применяемого материала газопламенное напыление подразделяют на два вида: напыление проволокой (прутком) и порошковое напыление. В первом случае пруток или проволока с помощью механизма подачи проволоки направляются через центральное отверстие горелки в высокотемпературную зону пламени, где расплавляются, распыляются сжатым воздухом и переносятся на поверхность детали.

Для восстановления деталей предпочтительное применение получило напыление порошками, которое позволяет в более широких пределах по сравнению с проволоками регулировать состав наносимых покрытий, что способствует повышению прочности сцепления с основой.

Достоинства: относительно небольшое окисление металла.

Недостатки: сложность установки, низкая производительность процесса (2-4 кг напыляемого металла в час), появление трещин (особенно при ударах, даже случайных) [6].

Рисунок 2.4 - Схема газопламенной металлизации

Сущность процесса дугового напыления заключается в том, что подающим механизмом через наконечник непрерывно подаются под углом две изолированные, находящиеся под напряжением проволоки, при соприкосновении которых возникает электрическая дуга. Расплавленный в ней электродный металл распыляется струей сжатого воздуха подводимого под давлением 0,4-0,6 МПа через сопло в зону дуги, ускоряется и направляется на поверхность детали, образуя напыленный слой.

Способ прост в обслуживании, отличается универсальностью: в качестве напыляющих материалов можно применять проволоки из различных металлов; возможно нанесение на поверхности деталей защитных антикоррозионных покрытий, а также износостойких - при восстановлении деталей. Принципиальная схема электродугового металлизатора представлена на рисунке 2.4 [6].

Достоинства: относительно высокая производительность, простое оборудование.

Недостатки: значительное выгорание легирующих элементов, повышенное окисление металла, снижение усталостной прочности, пониженная износостойкость.

1 - токоподвод; 2- направляющие для напыляемой проволоки Рисунок 2.5 - Принципиальная схема электродугового металлизатора для напыления покрытий

Детонационное напыление - это процесс нанесения покрытий на поверхность изделия или детали распылением порошкообразного материала продуктами сгорания, возникающими в результате направленного взрыва газовой смеси. Ускоряясь продуктами сгорания, частицы порошка нагреваются, при ударе о поверхность детали образуют на ней высокоплотное покрытие.

При детонационном напылении скорость движения напыляемого порошка составляет 600-1000 м/с, что в 4-7 раз больше, чем при газопламенном напылении. Детонационное напыление на поверхность детали производят после незначительного нагрева покрываемой детали и распыляемых частиц. Метод позволяет наносить покрытия на любые материалы твердостью не выше 61 НRC (сталь, чугун, алюминий, медь, стекло, керамику, графит, бумагу и др.). Получаемые при этом покрытия по плотности, прочности, жаропрочности, износостойкости значительно превосходят аналогичные характеристики покрытий, получаемых методом газопламенного напыления. Напыляемые износостойкие покрытия представляют собой спеченные твердые сплавы.

Принципиальная схема установки детонационного напыления представлена на рисунке 2.5.

Основой таких установок является ствол-труба 5, в которую с одного конца поступает смесь газов пропан-бутана и кислорода. На другом конце установлен дозатор 4, подающий в ствол порции порошкообразных частиц.

При поджигании газовой смеси с помощью свечи зажигания 2 происходит детонационный взрыв. В результате взрыва частицы порошка нагреваются, разгоняются до высоких скоростей (до 2500 м/с) и направляются на напыляемую поверхность детали 6, которая совершает вращательное движение.

1 - блок газораспределения; 2 - свеча зажигания; 3 - пульт управления; 4 - дозатор порошка; 5 - ствол; 6 - деталь

Рисунок 2.6 - Схема установки детонационного напыления

Достоинства: высокая износостойкость, низкая пористость, высокое значение адгезии к подложкам.

Недостатки: дорогостоящее оборудование, высокий уровень шума при напылении [6, 10].

Электролитические и химические покрытия. Эти методы применяют для восстановления деталей имеющих незначительный износ.

При эксплуатации деталей в разных агрессивных средах, в условиях знакопеременных нагрузок наибольшим воздействием подвергаются поверхностные слои металла. Поверхностное легирование заключается в нагреве и выдержке металлов и сплавов при высокой температуре в газовых, жидких или твёрдых средах. В результате этого изменяется химический состав, структура и свойства поверхностных слоёв металлов и сплавов. Если раньше химико-термической обработке подвергали лишь стали, то теперь её используют для улучшения свойств поверхностных слоёв таких металлов как молибден, вольфрам, титан, ниобий, тантал, кобальт, никель, медь, а также сплавов на их основе.

В настоящее время в промышленности распространены следующие виды химико-термической обработки: цементация - насыщение углеродом, азотирование - насыщение азотом, нитроцементация и цианирование - насыщение азотом и углеродом, а также различные процессы диффузионной металлизации - карбонитрация, хромирование, и т.д.

Хромирование получило самое широкое распространение среди гальванических покрытий. Причиной такого быстрого и широкого распространения являются высокая химическая стойкость и износостойкость электролитического хрома. В процессе хромирования не нарушается структура металла изделия. Нанесённый слой хрома имеет высокую износостойкость (при толщине покрытия 10ч400 мкм).



Рисунок 2.7 - Схема подвески для хромирования коленчатых валов.

Рисунок 2.8 - Разрез по А-А



Рисунок 2.9 - Разрез по Б-Б

Рисунок 2.10 - Разрез по В-В

Подвеска для хромирования коленчатых валов состоит из гальванической ванны 1 с электролитом и трех плит - нижней 2, средней 3 и верхней 4. Верхняя плиты предназначена для размещения электродвигателя 5, который приводит во вращение коленчатый вал 13 таким образом, чтобы его шатунные и коренные шейки вращались по кругу. Передача вращения от электродвигателя к коленчатому валу происходит через ведущую шестерню 7, посаженную на удлиненный вал электродвигателя 5. Ведущая шестерня 7 находится в зацеплении с ведомой шестерней 8 на валу 9, на нижней части которого закреплена шайба 12, к которой крепится фланец коленчатого вала 13. На шейки коленчатого вала 13 устанавливают ячейки, содержащие корпус 17, внутренние 18 и наружные 19 щеки в виде полуколец. Наружные щеки 19 имеют ось 20 с несимметрично установленной на ней пластиной 21. В ячейке 17 закреплен анод 22, который через втулку 23 и шток 24 электрически соединяется с источником питания. Противоположный конец штока 24 может совершать возвратно-поступательное движение во втулке 25, которая в свою очередь может совершать колебательное движение относительно горизонтальной плоскости. Рама 26 имеет возможность перемещения по стойкам 16. Зафиксировать положение рамы 26 можно с помощью винтов 28 [28].

Важнейшими областями применения электролитического хромирования являются отделка деталей (защитно-декоративное хромирование), защита от коррозии (защитное хромирование), повышение износостойкости трущихся деталей (износостойкое хромирование) и восстановление изношенных деталей машин (твёрдое хромирование). Электролитические хромовые покрытия качественно сцепляются со сталью, никелем, медью и её сплавами при тщательном проведении подготовительных операций и соблюдения режимов хромирования.

Особенностями процесса хромирования являются: высокий отрицательный потенциал восстановления хромат-ионов, низкий выход металла по току, высокие плотности тока, необходимость применения нерастворимых анодов, очень низкая рассеивающая способность электролита.

Механизм осаждения хрома очень сложен. Во время хромирования на катоде одновременно протекают процессы осаждения хрома, выделения водорода, восстановления шестивалентного хрома до трёхвалентного; образования на поверхности катода тонкой плёнки, состоящей из продуктов восстановления хромовой кислоты и активного аниона.

Достоинства: высокая износостойкость, высокая коррозионная стойкость.

Недостатки: ограниченное число размеров детали, ограничение толщины покрытия (до 0,3 мм), низкая производительность процесса (0,015 - 0,03 мм в час), высокая стоимость, неравномерность покрытия, высокая токсичность применяемых материалов [3, 7].

Пластическое деформирование. Способ пластического деформирования основан на способности деталей изменять форму и размеры без разрушения путем перераспределения металла под давлением, т. е. на использовании пластических свойств металла. Особенность способа - это перемещение металла с нерабочих поверхностей детали на изношенные рабочие поверхности при постоянстве ее объема. Пластическому деформированию могут подвергаться детали в холодном или в нагретом состоянии в специальных приспособлениях, на прессах.

Стальные детали твердостью до HRC 30 (низкоуглеродистые стали), а также детали из цветных металлов и сплавов обычно деформируют в холодном состоянии без предварительной термообработки. При холодном деформировании наблюдается упрочнение металла детали, т. е. происходит наклеп, который повышает предел прочности и твердости металла при одновременном понижении ее пластических свойств. Этот процесс требует приложения больших усилий. Поэтому при восстановлении деталей очень часто их нагревают.

В нагретом состоянии восстанавливают детали из средне- и высокоуглеродистых сталей. При восстановлении деталей необходимо учитывать верхний предел нагрева и температуру конца пластического деформирования металла. Относительно низкая температура конца деформирования металла может привести к наклепу и появлению трещин в металле. В зависимости от конструкции детали, характера и места износа нагрев может быть общим или местным.

Процесс восстановления размеров деталей состоит из операций: подготовка-отжиг или отпуск обрабатываемой поверхности перед холодным или нагрев их перед горячим деформированием; деформирование-осадка, раздача, обжатие, вытяжка, правка, электромеханическая обработка и др.; обработка после деформирования - механическая обработка восстановленных поверхностей до требуемых размеров и при необходимости термическая обработка; контроль качества.

Осадку используют для увеличения наружного диметра сплошных и полых деталей, а также, для уменьшения внутреннего диаметра полых деталей, за счет сокращения их высоты (бронзовые втулки и др.). Допускается уменьшение высоты втулок на 8...10 %.

Осадку втулок из цветных металлов производят в специальных приспособлениях гидравлическими прессами. В специальных штампах при нагреве до температуры ковки осадкой восстанавливают шейки, расположенные на концах стальных валов.

Вдавливание отличается от осадки тем, что высота детали не изменяется, а увеличение ее диаметра происходит за счет выдавливания металла из нерабочей части. Вдавливанием восстанавливают тарелки клапанов двигателей, зубчатые колеса, боковые поверхности шлицев на валах и т.д.

Раздачу применяют для увеличения наружного диаметра пустотелых деталей (втулки, поршневые пальцы и др.) при практически неизменяемой ее высоте. Изменение наружного диаметра детали происходит за счет увеличения ее внутреннего диаметра. При раздаче через отверстие детали продавливают шарик или специальную оправку. На увеличение диаметра влияет материал детали, температура раздачи, величина износа и размеры. При этом возможны укорочение детали и появление в ней трещин.

Обжатием восстанавливают детали с изношенными внутренними поверхностями за счет уменьшения наружных размеров, которые не имеют для них значения (корпуса насосов гидросистем, проушины рычагов, вилок и др.). Обжатие осуществляют в холодном состоянии под прессом в специальном приспособлении. После восстановления детали должны быть проверены на отсутствие трещин.

Накатка основана на вытеснении рабочим инструментом материала с отдельных участков изношенной поверхности детали. Способ позволяет увеличивать диаметр накатываемой поверхности детали на 0,3...0,4 мм и применяется для восстановления изношенных посадочных мест под подшипники качения. Накатке подвергаются детали без термической обработки, с обильной подачей индустриального масла. В качестве инструмента для накатки используют рифленый цилиндрический ролик или обойму с шариками, установленными на суппорте токарного станка [3].

Электромеханическая обработка предназначена для восстановления поверхностей деталей неподвижных сопряжений и состоит в искусственном нагреве металла электрическим током в зоне деформации, что способствует повышению пластических свойств металла. Схема обработки приведена на рисунке 2.6. Процесс состоит из двух операций: высадки металла и сглаживания выступов до необходимого размера.

Обработку ведут на токарном станке. В резцедержатель суппорта закрепляют специальную оправку с рабочим инструментом. Деталь и инструмент подключают к вторичной обмотке понижающего трансформатора.

При вращении детали к ней прижимают инструмент, имеющий продольную подачу S. Через зону контакта детали и инструмента (площадь контакта мала) пропускают ток 350...700 А напряжением 1...6 В. Деталь мгновенно нагревается до 800…900 С, легко деформируется инструментом. Обработка осуществляется с охлаждением, что способствует закалке поверхностного слоя.



Рисунок 2.11 - Схема электромеханической обработки [34]

В качестве высаживающего и сглаживающего инструмента используют пластину или ролик из твердого сплава (для высаживания заостренная, а для сглаживания закругленная).

Достоинства: высокая прочность, высокая износостойкость.

Недостатки: малая толщина слоя, изменение размеров деталей, возникновение трещин [10, 34].

Обоснование выбора метода восстановления коленчатого вала

Выбор эффективного и оптимального метода восстановления изношенных поверхностей является актуальной задачей при ремонте деталей машин. Представленный выше анализ методов восстановления деталей выявил ряд существенных недостатков, которые не позволяют использовать их при ремонте коленчатых валов. К недостаткам относится:

- необходимость тщательной предварительной подготовки обрабатываемых поверхностей деталей перед нанесением покрытия;

- снижение износостойкости и усталостной прочности;

- плохое сцепление материала покрытия с поверхностью обрабатываемой детали;

- повышенное окисление металла;

- высокая токсичность наносимых материалов;

- нагрев обрабатываемой детали (возникновение остаточных напряжений и деформаций детали);

- неравномерность, пористость покрытия, возникновение трещин;

- низкая производительность процесса;

- высокая стоимость применяемых материалов;

- снижение срока службы деталей.

Наиболее прогрессивными способами восстановления и упрочнения изношенных деталей являются методы с применением высококонцентрированных потоков энергии - это лазерная обработка, электроискровое легирование, плазменное напыление, ионная имплантация, нанесение гальванических покрытий.

В данном дипломном проекте, в качестве метода восстановления изношенных поверхностей коленчатых валов, предлагается использовать метод плазменного напыления.

2.2 Физическая сущность плазменного напыления

При обычных условиях молекулы газа нейтральны, и газ является хорошим изолятором. Но если создать достаточно сильное электрическое поле, то произойдет ионизация газа.

Как известно, возникновение электрического, тока связано с перемещением электрических зарядов (в основном электронов и ионов), образующихся в результате ионизации. Благодаря наличию тока в газе происходит повышение температуры; при этом относительная доля ионов и электронов в газовой смеси быстро возрастает, и газ перестает быть нейтральным. Но такое состояние газовой смеси нельзя назвать плазмой. Для плазмы характерна определенная степень ионизации газа, которая, в свою очередь, зависит от температуры и потенциала ионизации. Степенью ионизации газа называется отношение числа образовавшихся заряженных частиц к общему количеству нейтральных частиц в данном объеме газа до ионизации [6, 10].

Плазмой может быть названо такое состояние газообразной смеси, в которой число заряженных частиц электронов и ионов возрастает до уровня не ниже 10⁹ в 1 см³. Приближенно плазме соответствует температура порядка 10000К и выше. Так как выделить плазму в чистом виде трудно, то для технических целей используют дуговой разряд, обогащенный плазмой, т. е. в дуговом разряде наряду с заряженными частицами содержатся и нейтральные частицы. Такое состояние газа называется низкотемпературной плазмой.

В качестве плазмообразующих газов самостоятельно могут быть использованы аргон, азот, гелий, аммиак. Водород и кислород можно применять в смеси с аргоном и азотом. Применение одного водорода невозможно из-за его высокой теплопроводности, что приводит к быстрому нагреву и разрушению сопла.

В кислороде из-за быстрого сгорания вольфрамового электрода трудно обеспечить длительную работу катода плазмотрона.

Различные газы и газовые смеси обладают разными физико- химическими свойствами, целесообразность использования которых определяется видом плазменной обработки металлов (наплавка, напыление, закалка и др.) и степенью воздействия на вольфрамовый электрод. Наилучшим газом, защищающим раскаленный вольфрамовый электрод от окисления, является химически инертный аргон. Но аргон - одноатомный газ, и энергия, приобретенная им в столбе электрической дуги, определяется лишь теплоемкостью и процессами ионизации. Двухатомные газы являются лучшими теплоносителями; их преимущество перед инертными состоит в том, что, кроме энергии ионизации атомов, они переносят еще энергию диссоциации молекул, которая происходит до ионизации (таблица 2.1).

Водород диссоциирует на 90% при 4700 К, а азот -- при 9000 К, причем их теплосодержание при данных температурах равна теплосодержанию аргона при температуре 14 000 К.

Таблица 2.1 - Энергия диссоциации молекул газов

Газ	Энергия диссоциации молекул, эВ
СО2 (диоксид углерода)	16,56
Н2 (водород)	4,477
N2 (азот)	9,76
СО (оксид углерода)	11,11
NО (оксид азота)	6,48
ОН (гидроксил)	4,37

Газ в состоянии плазмы находится в термодинамическом равновесии и в целом электрически нейтрален, так как ионизация не создает избытка в зарядах того или иного знака, и отрицательный заряд электронов компенсируется положительным зарядом ионов. Важное значение имеет энергетическое саморегулирование дугового разряда. Это свойство заключается в том, что потеря энергии в окружающую среду компенсируются притоком свежей энергии от источника тока.

Плазма приобретает новые свойства по сравнению с обычными газами. Высокая концентрация электронов делает ее электропроводимой, причем электропроводимость плазмы достигает величины электропроводимости металлов. Из-за большой насыщенности заряженными магнитными частицами плазма поддается действию магнитных полей [10].

В настоящее время основным методом получения плазмы для технологических целей является метод пропускания газовой струи через пламя сжатой электрической дуги, расположенной в узком медном канале.

В современной технике применяют три схемы получения плазмы [6, 10]. Первая соответствует схеме сжатой дуги прямого действия, когда анодом служит обрабатываемый материал. Вторая - сжатая дуга косвенного действия возникает между вольфрамовым электродом и внутренним соплом плазмотрона, из которого вытекает в виде плазменной струи. Дуга косвенного действия (плазменная струя) электрически не связана с обрабатываемым металлом. Вторая схема нашла применение при обработке неэлектропроводимых материалов, а также при напылении и закалке.

Наибольшее распространение получила третья схема с комбинированным подключением плазмотрона к источнику питания. В этом случае между вольфрамовым электродом и соплом анода зажигается вспомогательная сжатая дуга косвенного действия, обладающая электропроводимостью и образующая при соприкосновении с токоведущей обрабатываемой деталью сжатую дугу прямого действия. Третья схема применяется при сварке, наплавке, резке металлов.

В обычных условиях при прямой полярности столб дуги между неплавящимся вольфрамовым электродом и деталью в атмосфере защитного газа имеет вид конуса, размеры которого зависят от силы тока и напряжения. Так как с увеличением силы тока и напряжения столб такой дуги имеет возможность расширяться, то значительного изменения температуры и степени ионизации газа не наблюдается. Если, каким-либо образом воспрепятствовать электрической дуге, занять естественный объем и принудительно сжать ее, оставив в то же время сварочный ток постоянным, то и количество электронов, проходящих по сечению столба дуги, не изменится, а количество упругих и неупругих соударений увеличится. Т. е. повысится степень ионизации, возрастут плотность и напряжение дуги, что вызовет значительное повышение температуры. Таким образом, наличие у плазменных горелок стабилизирующего водоохлаждаемого канала сопла является основным отличием от обычных горелок, применяемых для сварки в среде защитных газов.

Несмотря на высокую температуру плазменной струи, горелки работают довольно устойчиво. Это объясняется тем, что сопло, изготовленное из материала с высокой теплопроводностью (красная медь), охлаждается циркулирующей вокруг него водой. Вода, охлаждающая стенки сопла, препятствует нагреву и ионизации наружного слоя газа, проходящего через дугу. Поэтому наружный газовый слой имеет низкую температуру и в силу этого, в противоположность остальной части газового потока, является неэлектропроводимым. Он образует противоэлектрический и противотермический изолирующий слой между стенками сопла и потоком плазмы. С увеличением расстояния от центра токопроводящего канала температура понижается.

Сжатая дуга косвенного действия может иметь различную длину. Внутри сопла она сжата, однако при выходе за его пределы начинает постепенно расширяться до размеров, равных свободной дуге. При этом расширение происходит тем быстрее, чем сильнее сжат разряд и чем меньше расход газа. На расстоянии 25-30 мм от нижнего среза сопла сжатая дуга расширяется до свободных размеров [6].

2.3 Материалы и оборудование для плазменного напыления

Для восстановления изношенных поверхностей плазменным напылением в качестве напыляемого материала могут быть использованы порошки различных металлов, их оксидов, карбиды, органические соединения и др.

Широкое применение получили порошковые самофлюсующиеся сплавы системы Ni-Сr-В-Si, в которые нередко добавляют карбиды, бориды тугоплавких металлов (вольфрам, ванадий, хром, молибден) для образования композиционных сплавов с более высокими физико-механическими свойствами.

Также распространены биметаллические термореагирующие порошковые сплавы, обладающие экзотермическими свойствами, повышающими прочность сцепления покрытия с основой и физико-механические свойства в целом. Их применяют в качестве подслоя или для напыления основного слоя. Они состоят из частиц сферической или близкой к ней формы. Каждая частица экзотермических порошков состоит из никелевого ядра, покрытого тонким слоем мелкодисперсного алюминия. Такие порошковые сплавы используются не только как износостойкие покрытия для восстановления деталей машин. Их можно применять как жаро-, тепло-, коррозионно-стойкие покрытия для деталей, работающих при повышенных температурах, в условиях окислительных сред, что способствует повышению долговечности деталей машин [6, 10].

Порошки на никелевой основе (система Ni-Сr-B-Si-С-Fе) применяют для напыления при восстановлении деталей (валы, поршневые насосы, клапаны, толкатели) из углеродистых, коррозионно-стойких сталей и чугуна. При твердости до НRС 40 покрытия обрабатывают резанием, свыше HRС 40 - шлифованием. Напыленные соединения имеют низкий коэффициент трения, высокую допустимую рабочую температуру (до 800°С); твердость регулируется содержанием С, В, Сr.

Порошки системы Ni-В-Si низкоуглеродистые, отсутствие в их составе хрома значительно снижает их твердость. Нанесенные покрытия обладают высокой коррозионной стойкостью, хорошо сопротивляются ударным нагрузкам. Их применяют для восстановления посадочных мест под подшипники, зубчатые колеса, кулачковые муфты. Покрытия хорошо обрабатываются резанием.

Порошки-металлиды представляют собой химическое соединение двух металлов (NiА, NiзА1, А1Тi). Их можно применять для плазменного, детонационного и газопламенного напыления.

На свойства напыляемого слоя значительное влияние оказывает не только состав порошка, но и форма и размеры частиц порошка. При напылении, как правило, применяют частицы порошка сферической формы, поскольку они обладают наиболее высокой сыпучестью. Размеры обычно выбирают в пределах 40-100 мкм.

При значительной разнице размеров частиц невозможно обеспечить их равномерный нагрев. Это объясняется тем, что, несмотря на высокую температуру плазменной струи, крупный порошок не успевает расплавиться за короткое время его нахождения в плазменной струе. Мелкие частицы испаряются, а основная масса порошка из-за низкой кинетической энергии оттесняется плазменной струей в сторону, не достигнув ее центральной зоны.

Кроме порошков, при напылении применяют электродные проволоки разных марок, главным образом износостойкие [5, 6].

Участки, на которых выполняют восстановление изношенных деталей плазменным напылением, укомплектованы следующим оборудованием и оснасткой: универсальная плазменная установка; источник питания; камера для струйно-абразивной обработки деталей; установка для определения зернового состава порошков; электропечь; водяной насос; масловлагоотделитель; технические весы.

Для плазменного напыления серийно выпускаются установки типов: УПУ, УМП и другие. Плазменные установки типа УПУ (УПУ-ЗМ, УП-ЗД) предназначены для напыления покрытий из порошковых и проволочных материалов. Установки типа УМП (УМП-5-68, УМП-6) предназначены для напыления только порошковых материалов. Они могут быть укомплектованы сварочными преобразователями, которые позволяют в широких пределах изменять напряжение, подводимое к плазмотрону, и обеспечивать требуемый режим работы. Установки можно применять для напыления наружных и внутренних поверхностей цилиндрических деталей, а также поверхностей плоских деталей.

В комплект установки для плазменного напыления входят следующие узлы: плазмотрон, механизм транспортирования порошковых или проволочных материалов; пульт управления, в котором сосредоточены измерительные, регулировочные и блокировочные устройства; источник питания дуги; источник и приемник охлаждающей воды; комплекс коммуникаций, соединяющий отдельные узлы установки и обеспечивающий подвод к плазмотрону газов, электроэнергии, охлаждающей воды.

Ток, плазмообразующий газ, охлаждающая вода, подводимые к установке, взаимосвязаны. Взаимосвязь заключается в том, что электрическая схема включения напряжения, подводимого от источника тока к плазменной горелке, заблокирована контактами реле давления, установленными в системе охлаждения водой, а также контактами реле давления, установленными в системе питания плазмообразующим газом.

В случае недостаточного расхода и давления газа или охлаждающей воды срабатывает соответствующее реле и автоматически отключается источник тока, предохраняя плазмотрон от расплавления [5].



3. КОНСТУРКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛ

3.1 Технологический процесс восстановления изношенных поверхностей коленчатого вала

Анализ технологического процесса ремонта коленчатых валов, проведенный в главе 1, выявил ряд недостатков существующей технологии восстановления. В качестве способа восстановления изношенных поверхностей коренных и шатунных шеек вала применялась наплавка в среде углекислого газа или под слоем флюса. Для наплавки применялись дорогостоящие материалы, либо, в случае использования дешевых материалов, требовалась дополнительная термическая обработка (закалка). Как следствие, возникает необходимость дополнительного технологического оборудования и производственных площадей.

Данный метод восстановления приводил к значительному нагреву восстанавливаемой детали, появлению остаточных напряжений и деформаций. Для устранения данных дефектов проводилась дополнительная технологическая операция - правка. Все вышеизложенные недостатки существующей технологии ремонта коленчатых валов привели к необходимости замены наплавки на более совершенный метод восстановления.

Обзор методов восстановления изношенных поверхностей деталей показал, что все рассмотренные методы имеют свои достоинства, недостатки и область применения. В данном дипломном проекте в качестве метода восстановления коренных и шатунных шеек коленчатых валов двигателей предлагается использовать плазменное напыление, как наиболее эффективный, производительный метод восстановления изношенных поверхностей деталей.

Технологический процесс восстановления коленчатых валов представлен в таблице 3.1.

Таблица 3.1 - Технологический процесс восстановления коленчатых валов

№ оп.	Наименование операции	Переходы	Оборудование
1	2	3	4
005	Моечная	- мойка моющими средствами - мойка в проточной воде - сушка, продувка	Моечная машина
010	Дефектовочная	- внешний осмотр - дефектация	Стол контрольный
015	Правильная		Пресс гидравл.
020	Шлифовальная	- шлифование коренных и шатунных шеек	Станок круглошлифоваль-ный 3М151, приспособление специальное
025	Плазменное напыление	- подготовка к напылению (струйно-абразивная обработка) - напыление	Камера струйно-абразивная, установка для плазменного напыления УПН-201
030	Токарная (при необходимости)	- точение (исправление центра) - зенкерование центровой фаски	Станок токарно-винторезный 1А62, приспособление специальное
035	Токарная (при необходимости)	- точение первой коренной шейки (2 прохода) - точение остальных коренных шеек (2 прохода) - точение шейки под шестерню (2 прохода)	Станок токарно-винторезный 1А62, приспособление специальное
040	Сверлильная	- разметка отверстий - сверление отверстий - зенкерование отверстий	Станок радиально-сверлильный 2А53
045	Правильная		Пресс гидравлический
050	Шлифовальная	- шлифование шатунных шеек	Станок круглошлифоваль-ный 3М151, приспособление специальное
055	Шлифовальная	- шлифование коренных шеек
060	Балансировочная		Станок балансировочный, пневмодрель
065	Правильная		Пресс гидравлический
070	Моечная		Ванна
075	Контрольная		Стол контрольный, инструмент измерительный

Операция 010 - дефектовочная

После проведения моечной операции коленчатый вал, поступающий на восстановление, должен пройти операцию дефектации. Внешним осмотром выявляются трещины, риски, обломы, пробоины, вмятины, задиры, коррозия на поверхности детали. С помощью измерительного инструмента определяются геометрические параметры коленчатого вала. Проверяется отклонение от круглости шеек вала, радиальное биение - стрела прогиба, определяется возможность правки детали. На данном этапе для определения величины отклонения используют индикаторное приспособление и призму. Для более точной оценки состояния коленчатого вала целесообразно применять дефектоскопию. После проведения дефектовочной операции дается заключение о возможности восстановления шеек коленчатого вала.

Операция 015 - правильная

После дефектации коленчатый вал передается на правильную операцию. Правку производят на гидравлическом прессе.

Операция 020 - шлифовальная

Шлифование проводят для устранения неравномерности износа поверхностей коренных и шатунных шеек коленчатого вала. Операция осуществляется на круглошлифовальном станке 3М151.

Операция 025 - плазменное напыление

Для восстановления размеров изношенных шеек коленчатых валов предлагается операция - плазменное напыление. Сначала необходимо провести струйно-абразивную обработку изношенных поверхностей детали для снятия оксидной пленки и придания требуемой шероховатости. Обработку производят в специальной струйно-абразивной камере.

Напыление изношенных поверхностей валов производят на специальной установке. После напыления контролируется качество покрытия. Наличие пор, раковин, трещин, вспучиваний, отслоений недопустимо.

Операция 050, 055 - шлифовальная

Окончательная механическая обработка коленчатого вала осуществляется на круглошлифовальном станке 3М151 в соответствии с режимами шлифования покрытий.

Операция 060 - балансировочная

После восстановления коленчатого вала необходимо проверить сбалансированность вала на динамическом стенде.

Операция 070 - моечная

После проведения балансировочной операции, восстановленные коленчатые валы поступают на мойку. Необходимо тщательно прочистить и промыть масляные каналы, во избежание попадания в них мелких частиц твердого абразива при проведении операций восстановления и шлифования. Попадание абразива на рабочие поверхности вала может привести к выходу его из строя при эксплуатации.

3.2 Струйно-абразивная обработка

Операция плазменного напыления (операция 025) состоит из подготовки детали к напылению (струйно-абразивная обработка) и непосредственно напыления поверхностей на специальной установке.

Перед напылением покрытий поверхность детали необходимо подвергнуть струйно-абразивной обработке. Струйно-абразивная обработка служит для активации обрабатываемой поверхности, очистки ее от загрязнений и окалины, придания необходимой шероховатости. Степень очистки от окислов должна соответствовать второй по ГОСТ 9.402-2004. Участки поверхности детали, неподлежащие напылению, должны быть защищены от воздействия абразива экран-масками или другими приспособлениями.

В качестве абразивного материала можно использовать электрокорунд, карбид кремния, колотую стальную или чугунную дробь и т.д. Для струйно-абразивной обработки вала предлагается применять электрокорунд с зернистостью 50-300 мкм по ГОСТ 3647-80. Электрокорунд хранится в закрытой заводской таре при влажности не более 80%.

Струйно-абразивную обработку проводят в специальной камере (рисунок 3.1), выполненной в виде бокса с системой подвода сжатого воздуха (0,8 МПа) и вытяжной вентиляцией. Сжатый воздух обязательно должен быть сухим и очищенным от примесей. Камера оборудована устройством для установки и вращения деталей, бункером для крошки и струйным пистолетом. Технические характеристики струйно-абразивной камеры представлены в таблице 3.2 [8].

Таблица 3.2 - Технические характеристики струйно-абразивной камеры

Характеристика	Значение
Производительность	0,4 м2/ч
Частота вращения шпинделя	2-100 мин-1
Потребляемая мощность	2 кВт
Максимальное рабочее давление воздуха	0,8 МПа
Расход воздуха	не более 45 м3/ч
Размер гранул корунда	0,5-3,0 мм
Габариты	1600Ч900Ч2500 мм
Размеры обрабатываемой детали:
длина	200-1500 мм
диаметр	20-250 мм

Расстояние от вала до кромки струйно-абразивного пистолета при обработке должно составлять 70…100 мм, угол наклона сопла к поверхности вала - 60…90°.



Рисунок 3.1 - Струйно-абразивная камера

Обработанная поверхность должна быть матовой. После струйно-абразивной обработки вал обдувают сухим воздухом для удаления с поверхности частиц абразива. Во время струйно-абразивной обработки и до напыления детали следует поддерживать температуру воздуха в помещении не ниже 180°С и относительную влажность не выше 75%. При этом не допускается в окружающей среде веществ, способствующих коррозии поверхности детали. Попадание воды на обработанную поверхность также не допускается [8, 11].

3.3 Разработка операции - плазменное напыление

1) Выбор материала для напыления

Для восстановления изношенных поверхностей вала предлагается применять порошковую композицию ПРХ18Н9 с размером частиц 60-80 мкм. Порошки на хромо-никелевой основе (Ni, Сr) применяют для восстановления деталей из углеродистых, коррозионно-стойких сталей и чугуна. Напыленный слой имеет высокую износостойкость, высокое сопротивление ударным нагрузкам, низкий коэффициент трения, высокую допустимую рабочую температуру (до 800°С).

Порошковая композиция должна пройти входной контроль на соответствие паспортным данным по гранулометрическому составу и типу порошка. При необходимости порошок подвергается сушке при температуре 120-150 °С в сушильном шкафу. Порошки сушат в течение трех часов на противнях из нержавеющих сталей, периодически перемешивая. Порошок рекомендуется использовать в течении восьми часов после сушки, не позднее. Попадание влаги в просушенный порошок недопустимо. Порошки хранятся в закрытой заводской таре при влажности не более 80%.

Большое значение на качество покрытия, его свойства, прочность сцепления с основой оказывает количество подаваемого порошка. Большая

подача порошка приводит к отслоению покрытия, малая - к перегреву основы. Количество подаваемого порошка зависит от скорости вращения рабочего диска питателя. Оптимальная скорость вращения диска 12…15 мин-1, угол напыления - 90°.

Повышению прочности сцепления способствует также предварительное напыление подслоя толщиной не более 0,1 мм из сплавов на никелевой основе (никель - алюминий), образующих прочные химические связи в результате их взаимодействия с подложкой. Каждая частица композиционного порошка состоит из алюминия, окруженного никелевой оболочкой. При напылении образуется покрытие -- алюминид никеля (NiА1), отличающееся высокой стойкостью к окислению и более высокой температурой плавления (1640°С), чем составляющие его металлы [8].

2) Оборудование

Для плазменного напыления коренных и шатунных шеек коленчатого вала в данном дипломном проекте предлагается использовать установку УПН-201. Она предназначена для нанесения функциональных покрытий в ручном и автоматическом режиме. С помощью данной установки можно напылять покрытия, как из порошковых материалов, так и из проволоки.

3) Режимы напыления

Формирование плазменного покрытия на поверхностях деталей обусловлено влиянием многих параметров процесса напыления, к которым относятся: дистанция напыления, ток, напряжение дуги, расход порошкового материала, плазмообразующего и транспортирующего газов, скорость перемещения пятна напыления по поверхности детали и др. Параметры режима напыления регулируются оператором (таблица 3.3 [11]).

Таблица 3.3 - Режимы напыления

Частота вращения шпинделя	20-40 мин-1
Скорость перемещения каретки (подача)	40 мм/мин
Плазмообразующий газ:
аргон	75-80 %
азот	15-20 %
Расход плазмообразующего газа	40-45 л/мин
Расход транспортирующего газа	6-9 л/мин
Сила тока	340-370 А
Напряжение дуги	45 В
Дистанция напыления	90-120 мм

Для увеличения адгезии покрытия к основному металлу деталь перед напылением нагревают. Напыляемый слой наносят два раза, что увеличивает прочность сцепления покрытия с основой.

Напыленные плазменные покрытия обладают повышенной твердостью, хрупкостью и пониженной теплопроводностью из-за оксидных включений и пор в слое покрытия. Оказывает влияние и разница в коэффициентах термического расширения деталей и покрытий, а также остаточные термические напряжения, возникающие в процессе напыления. Это определяет ряд особенностей последующей обработки покрытий. Применение обычных режимов в процессе механической обработки приводит к возникновению трещин, сколов и дополнительных термических напряжений [11].

3.4 Устройство и схема установки плазменного напыления

В комплект установки УПН-201 входят: плазмотроны; источник электропитания; питатель порошка; станок с механизмом вращения детали и перемещения плазмотрона; пульт управления; система газоснабжения с баллонами газа; вытяжной шкаф; система вентиляции (воздуховод, теплообменник, вентилятор). Установка предназначена для ведения процесса напыления в атмосфере воздуха. Схема установки представлена на рисунке 3.2.

Пульт управления является оперативным блоком плазменной установки и предназначен для ее включения/отключения в режимах «Настройка» и «Работа», а также управления рабочими параметрами процесса напыления покрытия, в том числе регулирования тока, напряжения, расхода газов. Он содержит блокировочные схемы, отключающие работу плазменной установки при аварийных режимах (снижение давления воды, газа и др.).

Основной рабочий узел плазменной установки - плазмотрон, в котором генерируется плазменная струя и формируется высокоскоростной поток напыляемых частиц материала, находящихся в расплавленном или высокопластичном состоянии.

В настоящее время в зависимости от вида технологического процесса (резка, напыление, сварка, наплавка и др.), рода тока (постоянный, переменный), числа дуг (однодуговые, многодуговые) существует множество различных конструкций плазмотронов.

Для напыления порошковыми сплавами наибольшее распространение получили плазмотроны постоянного тока прямой полярности. Плазмотроны обратной полярности применяют, главным образом, для напыления на алюминиевые изделия.

Несмотря на большое разнообразие конструкций плазмотронов, принцип их действия и устройство примерно одинаковы. Принцип действия основан на сжатии дуги водоохлаждаемым соплом и проходящим через него газом. Плазмотрон состоит из водоохлаждаемых катода и анода, отделенных друг от друга изолятором, изготовленным чаще всего из текстолита. В катоде крепится вольфрамовый неплавящийся электрод, в аноде предусмотрены каналы для формирования плазменной дуги, подачи газов и порошка.

Электроэнергия, плазмообразующий газ, охлаждающая вода и порошковый материал подводятся к плазмотрону через пульт управления. На пульте расположены пусковые, измерительные сигнальные приборы и устройства для контроля давления и хода плазмообразующего и транспортирующего газов и охлаждающей воды. При недостаточных расходах и давлениях плазмообразующего газа или охлаждающей воды реле разрывает соответствующую электрическую цепь и автоматически отключает источник питания плазменной дуги, предохраняя тем самым плазмотрон от расплавления.



Конструкции плазмотронов должны обеспечивать выполнение следующих требований:

- надежность защиты сварочной ванны от вредного воздействия окружающего воздуха при минимальном расходе газа;

- стабильность работы плазмотронов в отношении поддержания постоянными заданных параметров сжатой дуги;

- большой срок службы при непрерывной работе;

- свободное прохождение порошка различной формы в зону напыления через каналы плазмотрона;

- возможность использования наплавочных металлов в виде проволок, прутков;

- достаточное и надежное охлаждение участков плазмотрона, подверженных высокой тепловой нагрузке;

- возможность напыления поверхностей заданной формы (наружные, внутренние и др.).

Эксплуатация плазмотронов в производственных условиях показала их высокую надежность (срок службы плазмотрона не менее шести месяцев). Плазмотрон выходит из строя из-за расплавления плазмообразующего сопла, происходящего в результате нарушения режима напыления: сила тока больше допустимой величины, замыкание плазмотрона на деталь. Наиболее частые технические неполадки: забивание наружного сопла недостаточно высушенным порошком, подгорание вольфрамового электрода. В первом случае сопло прочищают металлической щеткой, во втором - производят заточку и установку электрода.

Плазменная установка УПН-201 комплектуется плазмотронами: ПП-25 для напыления металлических порошков, ПМ-25 для напыления проволоки и нестандартным плазмотроном с выносным анодом для напыления металлических и керамических порошков, что значительно расширяет ее технологические возможности [11].

Плазмотрон с выносным анодом (нестандартный), по сравнению с другими, имеет ряд важных преимуществ:

- возможность производить напыление металлических и керамических порошков;

- возможность производить напыление в автоматическом и ручном режимах;

- возможность восстанавливать детали различной формы;

- простота замены катодного и анодного узлов.

Для перемещения плазмотрона и вращения детали применяется специальный станок. Схема станка представлена на рисунке 3.3.

Основанием конструкции является тележка, на которой установлены все основные модули станка. К тележке крепится V-образная балка, которая является направляющей для перемещения каретки.

Рисунок 3.3 - Схема станка

В передней бабке находится механизм вращения детали и перемещения каретки. Вращение шпинделя и перемещение каретки осуществляется от одного электродвигателя через червячный редуктор. Плазмотрон устанавливается в стойку на каретке. При напылении деталей значительной длины используется поддерживающий центр (задняя бабка).

После плазмотрона порошковый питатель является наиболее важным узлом установки, определяющим качество напыления. Свойства покрытий и технологические характеристики процесса напыления зависят от таких показателей работы порошкового питателя, как подача, ее равномерность, возможность одновременного напыления порошков различной зернистости и массы.