Технология повышения износостойкости корпуса ПСМ-8

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Введение

Переключатели скважин многоходовые предназначены для ручной и автоматической установки скважин на замер и устанавливаются на автоматизированных групповых-замерных установках «Спутник», «ОЗНА-Импульс», «ОЗНА Массомер».

Переключатель скважин многоходовой, содержит корпус с несколькими входными патрубками и одним общим выходным патрубком, крышку с патрубком для подключения к измерительному устройству, полый вал между полостями корпуса и крышки, отличающийся тем, что в корпусе выполнены каналы от каждого входного патрубка до внутренней поверхности плоского участка дна, один из входных патрубков через канал в корпусе сообщается с полым поворотным селектором, прижимаемым пружиной к дну корпуса и имеющим герметичное уплотнение с плоским участком дна корпуса, полый поворотный селектор соединен с полым валом, при этом остальные входные патрубки корпуса сообщаются с общим выходным патрубком корпуса.

Корпус ПСМ с точки зрения износостойкости подвергается гидроабразивному и коррозионному изнашиванию. В данном проекте рассматриваются способы восстановления корпуса ПСМ с целью повышения износостойкости.

Безусловно, такая тема, как выбор материала для корпуса ПСМ, не может быть неактуальной. Ведь как корпус, так и сам ПСМ являются одной из частей, или даже деталей оборудования для добычи нефти. А так как вся нефтяная промышленность «не стоит на одном месте» и, совершенствуясь, исследует и вводит новые технологии, повышающие прочностные характеристики оборудования, то экономически выгодное увеличение срока службы нефтяного оборудования будет полезно/ выгодно предприятию, обслуживающему месторождения. Во-первых, за счет получения деталей имеющих большой ресурс работы, которые следовательно будут нуждаться в поверке реже. Также, за счет более точно предоставляемых данных, ведь изношенные поверхности пропускают поток нефтяной жидкости, вследствие чего производятся некорректные замеры дебета скважин.

корпус износостойкость металлизация покрытие

1. Описание корпуса ПСМ, условий его работы, анализ состояния рассматриваемой детали с точки зрения износостойкости и причин отказов, их характер

В данной работе я бы хотела рассмотреть определенный корпус переключателя скважин многоходовой (далее ПСМ), работающий на нефтяных месторождениях г.Когалым («Дружное», «Ватьёганское», «Южный Ягун», «Когалымское» и т.д.).

Переключатель скважин многоходовой состоит из корпуса с патрубками, крышки с измерительным патрубком, угольника, вала, датчика положения, указателя положения, подвижной каретки и поршневого привода с храповым механизмом. Подвижная каретка состоит из корпуса, втулки, роликов посаженных на осях, резинового уплотнения. Корпус переключателя на внутренней поверхности имеет две диаметральные канавки с выточками против каждого отверстия. По канавки перемещаются ролики каретки, при перемещении роликов между резиновым уплотнением и корпусом ПСМ образуется зазор, а при попадании роликов в выточки уплотнение прижимается к корпусу пружиной обеспечивая герметичность в замерной скважине. Жидкость из скважины установленной на замер проходит через каретку, угольник, патрубок с отверстиями установленный на валу ПСМ и направляется на замер в измерительную емкость. Жидкость с остальных скважин через выходной патрубок направляется в сборный коллектор. Автоматическое переключение ПСМ осуществляется при помощи поршневого привода за счет давления масла, создаваемого гидроприводом. Поршневой привод с храповым механизмом состоит из корпуса, закрепленного на крышке ПСМ, силового цилиндра с крышкой, поршня, пружины и зубчатой рейки, составляющей одно целое со штоком поршня. Гидропривод состоит из емкости заполненной маслом и шестеренчатого насоса приводимого в действие электродвигателем. Уровень масла в емкости измеряется специальным щупом. При подаче жидкости от гидропривода в полость силового цилиндра поршень с рейкой перемещается и поворачивает шестерню, а вместе с ней храповик с валом переключателя. После выключения гидропривода поршень вместе с рейкой и шестерней возвращаются в исходное положение, а вал ПСМ за счет храпового механизма остается на месте. ПСМ может переключаться и вручную при помощи специальной рукоятки. Внутри корпуса ПСМ крепится датчик положения поворотного патрубка сигнал, от которого поступает в блок автоматики, где определяется номер скважины установленной на замер.

Корпус ПСМ работает в среде нефти, при очень низких температурах в течение 9 месяцев (максимально доходящих до -60°С) вследствие чего можно сказать, что деталь работает в условиях газоабразивного и коррозионного изнашивания.

Корпус ПСМ с точки зрения износостойкости подвергается гидроабразивному и коррозионному изнашиванию. Гидроабразивное изнашивание возникает вследствие действия частичек разрушенной породы, выносимых из глубины скважины сильным скоростным потоком нефти. Коррозионное изнашивание проявляется из-за присутствия попутного нефтяного газа, а также кислорода в узле трения, происходит химическая реакция, оказывающая непосредственно негативное влияние на металл.

Причиной отказа данного узла может служить нарушение герметичности, возникающее из-за износа внутренней поверхности корпуса возле отверстий. Ведь когда ролики попадают в выточки, уплотнение прижимается к корпусу пружиной, обеспечивая герметичность в замерной скважине. А если эта поверхность изношена, то за счет того, что пружина прижимает уплотнение на ту же величину выточки что и при не изношенной поверхности появляется зазор, в который может вытекать нефть из скважины, установленной на замер, что в свою очередь ведет к получению неправильных данных о дебете данной скважины.

Также могут изнашиваться и канавки с выточками, что тоже ведет к не герметичности и неправильному измерению дебета.



2. Анализ и выбор технологического процесса восстановления корпуса ПСМ.

2.1 Критический анализ типовых технологических процессов восстановления детали корпус ПСМ

Рассмотрим различные варианты восстановления и упрочнения данной детали, но также необходимо учесть следующие факторы - производство (восстановление) данных деталей можно отнести к серийному типу производства.

Начнем с такого вида наплавки, как ручная дуговая. Применение ручной дуговой наплавки целесообразно при небольшом объеме наплавочных работ, а также при наплавке труднодоступных мест и участков с различным геометрическим положением. Также есть и отрицательные факторы, во-первых, никакой защиты от окружающей среды не предусматривается. Что в дальнейшем, может только ухудшить наплавленный слой. Также, ручная наплавка не приветствуется на серийном производстве. В-третьих, для этого метода требуется квалифицированный сварщик. Следовательно, можно сделать вывод о том, что такой вид наплавки не может подойти для упрочнения внутренней поверхности ПСМ.

Автоматическая дуговая наплавка под слоем флюса имеет много положительных факторов, таких как, защита сварочной зоны от вредного воздействия воздуха; отсутствие разбрызгивания металла; дешевый метод наплавки. Но самым важным отрицательным фактором является большое тепловое вложение в наплавляемый поверхностный слой, что негативно отразится на структуре поверхностного слоя металла.

Газопорошковая наплавка. Этот вид наплавки -- наиболее простой и эффективный способ, который предполагает подачу наплавочного материала в виде порошкового сплава непосредственно через газокислородное пламя в место наплавки. Таким образом можно получить слой наплавки до 2 мм. Такой слой обладает достаточной твердостью и сохраняет при этом химический состав применяемого материала. Наплавка дает повышение износостойкости обработанных деталей в 3--5 раз, позволяет восстанавливать первоначальные размеры деталей. Главный недостаток этой технологии заключается в образовании не достаточно качественного наплавленного слоя металла. При переносе частиц порошка на восстанавливаемую поверхность не всегда все переносимые частицы успевают полностью расплавиться, и ударяются о поверхность твердыми (нерасплавленными) частицами, становясь приплюснутыми к ней - все это негативно сказывается на уже нагретой примерно до 900°С поверхности детали. Также является недостатком большое тепловое воздействие на поверхностный слой.

Газопламенная наплавка. Этот вид наплавки применяется наряду с электродуговыми методами наплавки. Но по сравнению с последними газопламенная наплавка имеет более низкую производительность. Положительным качеством этой наплавки является то, что она позволяет гибко и независимо регулировать нагрев основного и присадочного металла. Применяется газопламенная наплавка в основном для наплавки латуни, черных металлов и твердых сплавов на сталь и чугун. Она имеет низкую производительность, что, скорее всего, скажется на себестоимости детали. Но вряд ли это можно рассматривать как резко негативный недостаток.

Наплавка самозащитными проволоками проводится вручную, что является её первым недостатком. Также присутствует повышенное разбрызгивание металла, что становится недостатком, ведь деталь небольшая и цилиндрической формы.

Вибродуговая наплавка отличается от других сварочных процессов наличием колебаний электродной проволоки с частотой 50--100 Гц и низким напряжением источника сварочного тока. Перенос металла электродной проволоки на деталь происходит за счет чередования электрических разрядов и коротких замыканий цепи. Вибродуговую наплавку применяют для восстановления изношенных поверхностей стальных и чугунных деталей довольно широкой номенклатуры. Этот вид наплавки сопровождается часто возникающими дефектами в наплавленном металле в виде мелких газовых пор, трещин, а также неравномерную его твердость. Для поверхности такой неудобной конфигурации, как внутренняя поверхность цилиндра, этот вид наплавки не подойдет.

Плазменная наплавка. Поверхность детали необходимо готовить к наплавке более тщательно чем при обычной электродуговой или газовой сварке, т.к. при этом соединение происходит без металлургического процесса, поэтому посторонние включения уменьшают прочность наплавленного слоя. Для этого производится механическая обработка поверхности (проточка, шлифование, пескоструйная обработка..) и обезжиривание. Мощность электрической дуги подбирают такой, чтобы сильно не нагревалась деталь, и чтобы основной металл был на грани расплавления.

Плазменная наплавка широко применяется для защиты от высокотемпературного износа формокомплектов стекольной промышленности, для защиты от коррозии и износа деталей запорной и запорно-регулирующей арматуры, для упрочнения поверхности деталей, работающих при высоких нагрузках.

Но примерно, так же как и газопорошковая наплавка, плазменная наплавка образуется ионизированным газом с температурой, доходящей до 10-15тыс°С, что конечно негативно сказывается на всем поверхностном слое.

Рассмотрим виды газотермического напыления.

В книге А. Хасуй "Техника напыления" приводятся преимущества технологий ГТП (газотермических покрытий):

1. Напылением можно наносить различные покрытия на изделия из самых разнообразных материалов. Так, например, металлы можно наносить на стекло, фарфор, органические материалы (дерево, ткань, бумага) и т. д.

2. Равномерное покрытие можно напылить как на большую площадь, так и на ограниченные участки больших изделий, тогда как нанесение покрытий погружением в расплав, электролитическое осаждение, диффузионное насыщение и другие методы могут быть использованы в основном для деталей, размеры которых не превышают рабочих объемов используемых для этих целей ванн или нагревательных устройств. Напыление является наиболее удобным и высокоэкономичным методом в случаях, когда необходимо нанести покрытие на часть большого изделия.

3. Напыление и наплавка являются наиболее эффективными способами в случаях, когда необходимо значительно увеличить размеры детали (восстановление и ремонт изношенных деталей). Этими методами можно наносить слои толщиной в несколько миллиметров.

4. Оборудование, на котором производят напыление, является сравнительно простым и легким и его можно достаточно быстро перемещать. Для газопламенного напыления достаточно иметь компрессор, который можно также использовать для предварительной пескоструйной обработки поверхности основы, горелку для напыления и баллоны с газами. Если же имеется источник электроэнергии, то напыление можно производить электрическими методами.

5. Для напыления можно использовать различные металлы и сплавы, а также большое число соединений и их смеси. Можно напылять различные материалы в несколько слоев, что позволяет получать покрытия со специальными характеристиками.

6. Основа, на которую производится напыление, мало деформируется, тогда, как при других методах нанесения покрытий необходимо нагревать до высокой температуры всю деталь или большую ее часть, что часто приводит к ее деформации.

7. Напыление можно использовать для изготовления деталей различной формы. В этом случае напыление производят на поверхность оправки, которую после окончания процесса удаляют: остается оболочка из напыленного материала.

8. Технологический процесс напыления обеспечивает высокую производительность нанесения покрытия и характеризуется относительно небольшой трудоемкостью."

I. Газопламенное напыление проволокой или стержнями.

При газопламенном напылении проволокой или стержнями распыляемый материал непрерывно подаётся в центр ацетилен-кислородного пламени и там оплавляется. С помощью распыляющего (диспергирующего) газа, например, сжатого воздуха или азота, расплавленные капли выдуваются из зоны плавления и ускоряются в направлении подготовленной детали. Газопламенное напыление проволокой является одним из самых распространенных способов с очень высоким качеством покрытия. В автомобилестроении ежегодно более сотни тонн молибдена напыляется на вилки переключателей, кольца синхронизации и поршневые кольца.

Рис. 1 Газопламенное напыление проволокой: (1) Ацетилен/Кислород, (2) Проволока или стержень, (З)Сопло, (4) Ацетилен/кислородное пламя и напыляемый материал, (5) Деталь.

Термическая энергия: макс 3160 °С; кинетическая энергия: до 200 м/сек; производительность 6-8 кг/час

II. Газопламенное напыление порошком

При газопламенном напылении порошком порошкообразные частицы напыляемого материала плавятся или оплавляются в ацетилен-кислородном пламени и с помощью расширяющегося горючего газа ускоряются в направлении подготовленной поверхности детали.

Если требуется, то для ускорения порошка можно использовать ещё дополнительный газ (например, аргон или азот). Существует более 100 различных порошковых материалов.

Среди порошков различают самофлюсующиеся и термореагирующие порошки. Для самофлюсующихся обычно требуется дополнительная термообработка оплавлением ацетиен-кисородной горелкой.

Термореагирующие порошки используют для подслоя, увеличивающего прочность сцепления покрываемой поверхности и основного покрытия. Термореагирующими их называют в связи с тем, что исходная частица состоит из двух «склеенных» частичек разнородных материалов, которые при нагревании в газовой струе вступают в реакцию образования интерметаллида с выделением тепла, например, 1Ч1-А1, А1-Ре и т.д.

Области применения: втулки переключения, ролики рольгангов, посадочные места подшипников, вентиляторы, роторы шнеков и т.д.

Рис. 2 Газопламенное напыление порошком: (1) Ацетилен/Кислород, (2) Ёмкость с порошком, (3) Сопло, (4) Газ + Порошок, (5) Ацетилен-киспородное пламя и напыляемые частицы, (6) Деталь.

Термическая энергия: макс 3160 °С; кинетическая энергия: до 50 м/сек; производительность 1-6 кг/час

III. Сверхзвуковое газопламенное напыление (НVОР)

При сверхзвуковом газопламенном напылении происходит постоянное горение газа при высоком давлении внутри камеры сгорания, на ось которой подаётся порошкообразный напыляемый материал. Создаваемое высокое давление в камере сгорания смесью горючего газа и кислородом обеспечивает дальше в профилированном сопле необходимую высокую скорость газового потока. Благодаря этому напыляемые частицы ускоряются до больших скоростей, что ведёт к образованию чрезвычайно плотных и с отличной адгезией покрытий. Достаточная, но медленно вводимая температура приводит в процессе напыления к только незначительным металлургическим изменениям, например, минимальное образование твёрдого раствора карбидов. При этом способе напыления получаются экстремально тонкие покрытия с высокой точностью размеров.

В качестве горючих газов можно использовать пропан, этан, ацетилен, водород и другие газы.

Применение: поверхности скольжения в парогенераторах, вальцы фотоиндустрии, детали нефтехимического и химического оборудования, например, насосы, шиберы, шаровые краны, механические уплотнения и т.д.

Рис. 3 Сверхзвуковое газопламенное напыление: (1) горючий газ/кислород, (2) Порошок + газ, (3) Сопло с или без охлаждения водой, (4) Горючий газ/кислородное пламя и напыляемые частицы, (5) Деталь.

Термическая энергия: макс 3160 °С; кинетическая энергия: до 550 м/сек; производительность 2-8 кг/час

IV. Детонационное напыление

Напыление ударом пламенем является прерывистым периодическим процессом напыления. Так называемые детонационные пушки состоят выходной трубы, на конце которой находится камера сгорания. В неё вводится газопорошковая (ацетилен-кислород-порошок) смесь, поджигающаяся искрой. Образующаяся в трубе ударная волна ускоряет напыляемые частицы. Они нагреваются в фронте пламени, ускоряются до высоких скоростей в направлении подготовленной детали. После каждой детонации производится очистка камеры и трубы азотом. Очень высокое качество покрытий оправдывает во многих случаях высокие финансовые расходы.

Применение: плунжеры насосов в газовых компрессорах или насосах, рабочее колесо в паровых турбинах, газовый компрессор или расширительная турбина, накатные вальцы бумажных машин или каландровые вальцы.

Рис. 4 Детонационное напыление (1) Ацетилен, (2) Кислород, (3) Азот, (4) Напыляемый порошок, (5) Устройство поджига, (6) Выходная труба с водяным охлаждением, (7) Деталь.

Термическая энергия: макс 3160 °С; кинетическая энергия: до 600 м/сек; производительность 3-6 кг/час

Плазменное напыление

При плазменном напылении порошок внутри или снаружи плазменного пистолета плавится плазменной струёй и ускоряется в направлении покрываемой детали. Плазма генерируется электрической дугой, горящей в аргоне, гелии, азоте, водороде или их смеси. При этом происходит диссоциация и ионизация газов, они приобретают высокую скорость на выходе, и при рекомбинации отдают своё тепло напыляемым частицам.

Электрическая дуга горит между центральным катодом и водоохлаждаемым анодом. Этот способ используется при нормальной атмосфере, в защитном газе (например, аргоне), в вакууме и под водой. При соответствующем профилировании сопла возникает также сверхзвуковая плазма.

Применение: авиа- и космическая промышленность (например, лопатки турбин, плоскости входа) медицина (имплантанты), термобарьерное покрытие.

Рис. 5 Плазменное напыление. (1) Инертный газ, (2) Охлаждающая вода, (3) Постоянный ток, (4) Порошок, (5) Катод, (6) Анод, (7) Деталь.

Термическая энергия: до 20000 °С; кинетическая энергия: до 450 м/сек; производительность 4-8 кг/час.

V. Лазерное напыление

При лазерном напылении порошок вводится в лазерный луч через соответствующее сопло. Лазерным лучом порошок и малая часть подложки (микроны) плавятся, металлургически соединяются. Для защиты сварочной ванны служит защитный газ. Примерами применения этой технологии могут быть локальное покрытие штампов, гибочный инструмент, гильотина.

Термическая энергия: 10000 °С; кинетическая энергия: до 1 м/сек; производительность 1-2 кг/час



Рис. 6 Лазерное напыление: (1) Лазерный луч, (2) Защитный газ, (3) Порошок, (4) Деталь.

VI. Электродуговая металлизация

При электродуговой металлизации две проволоки одинаковые или разные по составу плавятся электрической дугой, горящей между ними, и распыляющим (диспергирующим) газом, например, воздухом ускоряется в направлении покрываемой детали. Электродуговая металлизация процесс напыления с высокой производительностью, но пригоден только для распыления электропроводящих материалов. Перспективным является использование термореагирующих порошковых проволок.

При использовании при распылении азота или аргона окисление материалов не происходит.

Применение чрезвычайно широкое, например, покрытие ёмкостей, коррозионная защита металлоконструкций, восстановление изношенных деталей машин и механизмов и т.д.

Термическая энергия: до 4000 °С; кинетическая энергия: 150 м/сек; производительность 8-20 кг/час



Рис. 7 Электродуговая металлизация (1) Распыляющий газ, (2) Подача проволоки регулируемая, (3) Сопло, (4) Электропроводящая проволока, (5) Деталь.

VII. Холодное напыление

При холодном напылении речь идёт о новом поколении сверхзвукового газопламенного напыления. Кинетическая энергия напыляемых частиц при этом увеличивается, а термическая энергия уменьшается. Тем самым можно создавать почти полностью безоксидные покрытия.

Этот новый способ известен под именем CGDM (Cold Gas Dynamic Spray Method).

Порошок нагревается газовой струёй до 600° С соответствующим давлением ускоряется до скорости более 1000 м/сек и наносится непрерывным потоком на покрываемую поверхность. Поток частиц может фокусироваться от сечения размером 1,5 х 2,5 до 7 х 12 мм. Производительность напыления составляет от 3 до 15 кг в час.

Лабораторные исследования показывают, что этим способом производятся покрытия с экстремально высокой адгезией и чрезвычайно плотные. В отличии от других способов газотермического напыления, при которых порошок нагревается до температуры плавления, при холодном напылении порошок нагревается всего на несколько сот градусов. Поэтому окисления порошка и покрытия не происходит, содержание окислов в покрытии ничтожное. Материал покрытия не подвергается изменениям из-за теплового воздействия.

Применение: автомобилестроение, коррозионная защита, электроника.

Рис. 8 Холодное напыление. (1) Транспортирующий газ, (2) Технологический газ, (3) Сопло Лаваля, (4) Сверхзвуковой поток газа с напыляемыми частицами, (5) Деталь.

Термическая энергия: макс 500 °С; кинетическая энергия:550-1000 м/сек; производительность 6-8 кг/ час

3. Описание выбранного метода повышения износостойкости, режимов технологического процесса и используемых материалов.

3.1 Описание газотермического метода нанесения покрытий

Оптимальным методом, подходящим для восстановления и повышения износостойкости корпуса ПСМ, является электродуговая металлизация.

Об электродуговой металлизации (ЭДМ) известно с 20 века. Российские ученые и инженеры также внесли вклад в развитие технологии ЭДМ. Например, книга А.Ф. Троцкого «Основы металлизации распылением», 1960г. Одной из книг, подробно описывающих газотермические технологии, является «Техника напыления» А.Хасуй, 1975г, была упомянута также ранее в документе. После подобных сборников не издавалось.

Ранее были описаны преимущества ГТП над остальными способами создания покрытий. Но необходимо отметить преимущества, а также и недостатки выбранной электродуговой металлизации над другими ГТП.

Преимуществом способа электродуговой металлизации является высокая производительность процесса и возможность значительного сокращения затрат времени на напыление. Например, при силе тока 750 А можно напылять стальное покрытие с производительностью 36 кг/ч, что превышает в несколько раз производительность газопламенного напыления. По сравнению с газопламенным напылением металлизация позволяет получать более прочные покрытия, которые лучше соединяются с основой. При использовании в качестве электродов проволок из двух различных металлов можно получить покрытие из их сплава. Эксплуатационные затраты электрометаллизатора довольно небольшие. При напылении покрытия распылением двух электродов из разнородных материалов желательно использовать такие электрометаллизаторы, которые бы позволяли производить отдельную регулировку скорости подачи каждого электрода. Также не маловажным фактором является более низкая себестоимость затрат, производимых для данного метода, относительно других методов создания ГТП.

Недостатком рассматриваемого метода является перегрев и окисление напыляемого материала при малых скоростях подачи распыляемой проволоки. Кроме того, большое количество теплоты, выделяющейся при горении дуги, приводит к значительному выгоранию легирующих элементов, входящих в напыляемый сплав (например, содержание углерода в материале покрытия снижается на 40-60%, а кремния и марганца на 10-15%). Это необходимо иметь в виду и применять для напыления проволоку, содержащую повышенное количество легирующих элементов.

Принцип работы установки для проведения электродуговой металлизации состоит в следующем. В электрометаллизаторе установлены направляющие, через которые непрерывно производится подача двух распыляемых проволок. Между концами этих проволок возбуждается электрическая дуга. В центральной части электрометаллизатора имеется сопло, через которое подается сжатый воздух. Струя сжатого воздуха отрывает с проволок-электродов частицы расплавленного металла и уносит их к напыляемой поверхности.

Электрометаллизатор может работать как на постоянном, так и на переменном токе. При использовании переменного тока дуга горит неустойчиво и сопровождается большим шумом. При постоянном токе характер работы является устойчивым, напыленный материал имеет мелкозернистую структуру, производительность напыления высокая. Поэтому в настоящее время для дугового напыления используют источники постоянного электрического тока. Для напыления обычно используют проволоку диаметром 0,8: 1,0; 1,6 и 2,0 мм.

Процесс напыления включает следующие операции:

A). предварительную обработку поверхности основы для обеспечения прочного сцепления напыляемого материала;

B). напыление материала на основу горелкой для напыления;

C). обработку покрытия после напыления, если в этом есть необходимость (термическая обработка, уплотнение покрытия, отделочная обработка).

v Предварительная обработка основы

Предварительная обработка поверхности основы является важным фактором для обеспечения прочного сцепления напыленного покрытия с деталью, так как в большинстве случаев соединение напыленного покрытия с основой происходит в результате механического сцепления. Следовательно, для того чтобы напыляемые частицы, которые ударяются и деформируются об основу, прочно сцеплялись с неровностями поверхности, основа должна быть достаточно шероховатой.

Помимо механического соединения напыленного покрытия с основой возможны и другие виды соединений, например сплавление напыляемого материала с материалом основы, образование химических соединений и т. д.

Увеличение прочности механического зацепления связано с увеличением площади поверхности основы и созданием большей активности основы, что также важно и для других видов соединений. Поэтому создание развитой шероховатости на поверхности основы является важным требованием.

Однако обеспечение шероховатости поверхности еще недостаточно для получения прочного соединения покрытия с основой.

Перед предварительной обработкой поверхности необходимо провести промывку и, насколько это возможно, удалить влагу, масло и другие загрязнения, а также окисные пленки.

В деталях из пористых материалов и чугунных отливках в порах может содержаться масло, которое при напылении в результате нагревания выделяется на поверхность, что в значительной степени ухудшает сцепление покрытия с основой. Поэтому такие детали после обычного обезжиривания должны быть подвергнуты отжигу при температуре 260-530°С, в процессе которого происходит выгорание масла, содержащегося в порах.

Окисные пленки удаляют с поверхности в основном механически обдувкой кварцевым песком, корундом или стальной крошкой. Для удаления окисных пленок со стальных деталей иногда используют травление в азотной, соляной и других кислотах.

v Способы подготовки поверхности

Существуют следующие способы подготовки поверхности перед напылением: дробеструйный; механический; напыление тонкого подслоя молибдена, прочно сцепляющегося с основой; электроискровой, при котором на поверхности остаются наваренные частицы присадочного материала; химический.

Для подготовки поверхности широко применяется струйно-абразивная обработка поверхности перед напылением. Такая подготовка очищает поверхность и выводит её из состояния термодинамического равновесия со средой, освобождая межатомные связи поверхностных атомов, т.е. химически активирует подложку. Но активность подложки быстро снижается из-за химической адсорбции газов из атмосферы и окисления. Струйно-абразивная обработка делает поверхность шероховатой, что увеличивает температуру в контакте под напылёнными частицами на выступах шероховатости и повышает суммарную площадь участков приваривания. Шероховатая поверхность имеет большую площадь по сравнению с гладкой, что также способствует увеличению прочности сцепления.

В месте удара абразивной частицы подложка разрушается и обнажается так называемая ювенильная поверхность её материала, однако, на воздухе она очень быстро теряет активность.

Дробеструйная обработка. Используют два типа устройств: пневматические и центробежные. В устройствах с пневматической подачей абразивные частицы разгоняются сжатым воздухом и, вытекая из сопла в виде струи, ударяются с большой скоростью об обрабатываемую поверхность. В центробежных устройствах абразивные частицы непрерывно подаются во вращающееся с большой скоростью лопаточное колесо, где они разгоняются и под действием центробежных сил устремляются на обрабатываемую поверхность.

При электродуговой металлизации, как и при газопламенном напылении, необходима предварительная обработка поверхности основы.

v Процесс формирования напыленных покрытий

Для электродугового напыления применяют электрический источник энергии, используемый для нагревания и расплавления напыляемого материала. Пруток и проволока расплавляются с образованием частиц в виде капель. Расплавленные частицы с высокой скоростью соударяются с поверхностью основы и наслаиваются на неё, что приводит к образованию покрытия, которое может иметь самые различные свойства.

Двухфазный поток, состоящий из раскалённого газа и напыляемых частиц, и распределение частиц в потоке определяют не только их нагрев и ускорение, но и условия формирования покрытия и распределение его толщины по поверхности подложки.

Из практики известно, что, несмотря на высокую скорость истечения воздушных струй из металлизаторов (1000 - 2000 м/сек), частицы напыляемого материала разгоняются до 50-200 м/сек. Размер частиц в потоке при электродуговой металлизации 50 - 400 мкм.

Скорость частиц, которая зависит от размера частиц, плотности их материала, траектории движения и мощности распыления, распределена по пятну напыления неравномерно. Особенно сильно изменяется скорость мелких частиц, у которых на периферии пятна она может быть в 3 - 5 раз ниже, чем на оси струи. У более крупных частиц перепад скорости меньше. Мелкие частицы диаметром менее 100 мкм по сравнению с более крупными быстрее набирают скорость в плазме и быстрее её теряют. Наибольшую скорость частицы имеют приблизительно на расстоянии 40 - 60 мм от среза сопла.

Можно считать, что струя напыляемых частиц образует конус, вершина которого при прутковом и проволочном напылении располагается в точке плавления подаваемого прутка (или проволоки).

Из-за неравномерности ускорения и нагрева частиц напыляемого материала по сечению струи напыления на её периферии они имеют меньшую скорость и температуру. В результате на периферии пятна напыления, сформированного на напыляемой поверхности за один проход горелки, образуется зона с пониженной прочностью осаждённых частиц, принадлежащих либо периферийной, либо приосевой области пятна напыления. Известно, что телесный угол распыления, в пределах которого возможен нагрев частиц до состояния, позволяющего осаждаться им на подложку, меньше для крупных фракций по сравнению с мелкими, при одних и тех же условиях истечения струи.

При напылении полидисперсного материала наблюдается сепарация частиц в струе по размерам, что вызвано в значительной мере поперечным вводом частиц в струю.

Сужение фракционного состава, повышение скорости перемещения плазмотрона (или другого распылителя) и снижение концентрации частиц в струе снижает вероятность возникновения слоистости в структуре.

При напылении возможны два случая взаимодействия: между напыляемыми частицами и поверхностью подложки, что приводит к возникновению адгезии покрытия к подложке, и между напыляемыми частицами и частицами уже нанесенного покрытия, что вызывает сцепление частиц в покрытии или его когезию.

Взаимодействие обусловлено действием сил механического зацепления, слабых невалентных сил взаимодействия (сил Ван-дер-Ваальса) и химических сил связи. Процесс взаимодействия напыляемых частиц с материалом подложки можно представить состоящим из трёх стадий: образование физического контакта, активация контактных поверхностей и образование химических связей на границе раздела частица-подложка, развитие объёмного взаимодействия (релаксация микронапряжений, рекристаллизация, гетеродиффузия, образование новых фаз. Процесс соединения определяется тремя основными параметрами: температурой контакта, длительностью взаимодействия и приложенным давлением, под действием которого, с одной стороны, частицы деформируются и сближаются с атомами подложки, с другой, происходит активация контактной поверхности подложки.

Основные структурные элементы напылённого материала - зерно, частица, слой. В отличии от компактного материала, имеющего два типа границ: межзеренные и межфазные; напылённое покрытие имеет три типа границ, оказывающих существенное, а часто определяющее, влияние на свойства покрытия: это границы между деформированными частицами, межслойные границы и, наконец, границы, разделяющие покрытие и подложку.

Границы раздела между слоями, полученными за один проход распылителя, возникают из-за различной длительности выдержки между нанесением частиц в слое и между слоями. Поверхность покрытия между слоями загрязняется и контактные процессы под частицами затрудняются.

Эти границы появляются также из-за различия в термоциклах, которые зависят от теплопроводности покрытия, сильно изменяющейся с увеличением его толщины. Часть границы раздела между любыми частицами состоит из площади контактной поверхности в местах схватывания, на которых частицы приварились к подложке или к частицам в покрытии.

Образование напыляемого покрытия последовательной укладкой множества деформирующихся частиц неизбежно приводит к появлению микропустот, особенно на стыках частиц. Так как частицы формируются в атмосфере, микрополости заполняются газом.

Вследствие большой шероховатости покрытия, чрезвычайно быстрого растекания и кристаллизации частиц при ударе в зоне контактов ранее нанесённых частиц с поверхностью остаются дефекты и полости. Взаимодействие с атмосферой, адсорбция газов и оседание пылевидных фракций существенно ухудшает свойства межслойной зоны покрытия.

С уменьшением размера напыляемых частиц улучшается заполнение слоя покрытия - его плотность растёт, объём микропустот уменьшается, структура покрытия делается более однородной. Однако слишком мелкие частицы не пригодны для газотермического напыления из ряда соображений: транспортировки и ввода в струю, испарения в струе.

Важное ограничение возникает вследствие того, что газотермическое покрытие образуется из двухфазного потока, состоящего из газа и самих частиц. Частицы с размером менее критического не достигают поверхности изделия, поскольку захватываются и отклоняются потоком газа, обтекающим изделие.

Таким образом, свойства покрытия в целом будут зависеть от процессов, происходящих с частицами при взаимодействии с потоком газа (плазмы) и формировании покрытия на подложке.

Прочность напылённых газотермических покрытий не превышает 10-60 мПа, что на порядок ниже прочности металлов. Такой же уровень имеет величина адгезионной прочности покрытия. Вследствие больших остаточных напряжений, покрытия толщиной 0,5-1,0 мм склонны к самопроизвольному отслаиванию. Низкая прочность покрытий объясняется их строением и условиями, при которых они образуются.

Причины низкой прочности заключаются в макростроении покрытий. Напыленные материалы состоят из отдельно сравнительно слабо связанных между собой частиц. Объёмное взаимодействие на участках контакта между частицами практически отсутствует. Кроме того, покрытия отличаются пористостью, и в них всегда имеются значительные остаточные напряжения.

Остаточные напряжения в покрытиях возникают в результате разницы теплофизических свойств материалов частицы и подложки, появляются после остывания нанесённого покрытия. Макротермические циклы в пятне напыления объясняются действием струи нагретого распыляющего газа и массы нагретых частиц, образующих покрытие. Эти термоциклы имеют гораздо большую длительность и менее высокую максимальную температуру по сравнению с термоциклами в контакте застывающих частиц.

Исходя из характера и места разрушения покрытий, можно считать, что их прочность определяется силами сцепления между частицами, а не прочностью самих частиц.

При охлаждении в напылённых деталях и покрытиях возникают сложные поля остаточных напряжений. Эти поля зависят от неравномерного распределения наносимого материала в струе и неравномерного нагрева детали вследствие местного характера действия источника напыления, а также особенностей формы и размеров защищаемой детали.

В зависимости от соотношения между прочностями сцепления покрытия с подложкой и частицами в покрытии разрушение может быть адгезионным или когезионным. Часто наиболее слабым местом является зона сцепления между частицами покрытия, прилегающими к подложке, поэтому при разрушении часть покрытия остаётся на подложке. Низкая прочность покрытия в этой зоне объясняется отрицательным влиянием высокой теплопроводности компактной массивной подложки на термические циклы в контакте частиц второго, третьего и т.д. слоёв вблизи подложки. По мере роста толщины покрытия его теплопроводность понижается, температура в контакте увеличивается и прочность покрытия растёт.

Несмотря на ясность основных физических процессов, вызывающих остаточные напряжения в напылённых покрытиях, в настоящее время ещё не разработаны методы их инженерной оценки. Это объясняется не только сложностью, но и многосторонностью рассматриваемых теплофизических, физико-химических и других явлений, ответственных за прочность покрытий.

Известны следующие технологические приёмы, позволяющие регулировать остаточные напряжения в покрытиях, а, следовательно, их прочность:

1. Согласование свойств материалов покрытия и подложки и, в первую очередь их коэффициентов термического расширения.

2. Регулирование термического воздействия газотермического потока на частицы и подложку путём изменения распределения его тепловой мощности по пятну нагрева, а также регулированием дистанции напыления или изменением скорости перемещения горелки (распылителя).

3. Снижение модуля упругости материала покрытия, например, введением в него добавок пластичного материала.

4. Использование подслоёв между подложкой и покрытием, обеспечивающих плавный переход свойств от материала подложки к материалу покрытия.

5. Изменение толщины покрытия, а также применение многослойных покрытий с чередованием слоёв из различных материалов.

6. Армирование покрытия непрерывными или дискретными волокнами или проволоками.

7. Изменение формы напыляемой поверхности, например, придание определённого радиуса кривизны всем острым углам изделия.

В литературе приводятся данные по остаточным напряжениям в зависимости от различных факторов режима напыления, свойств исходного материала подложки и последующей обработки покрытия. Встречаются противоречивые данные исследователей, объясняемые неточностью методов определения и отсутствием сведений о физико-механических свойствах исследуемых покрытий. Обычно эти данные относятся к частным конкретным случаям и без знания условий образования покрытия, формы образца и т.д., дают мало информации и не позволяют установить общих закономерностей.

Также следует отметить взаимосвязь значений напряжения, дугового промежутка, угла между подаваемыми электродами и расстояние до покрываемой поверхности.

Проволоки-электроды напыляемого материала подаются по направляющим горелки, к которым подведено напряжение. При замыкании между концами проволок образуется дуга. При напряжении 15-25 В образуется дуга, которая носит неустойчивый, прерывистый характер. При больших значениях напряжения дуга становится непрерывной и устойчивой. Хорошие результаты горения дуги получаются в том случае, когда дуговой промежуток является небольшим и составляет примерно 0,8 мм.

В электрометаллизаторе угол между электродами (напыляемой проволокой) обычно составляет 30-60°. При углах, превышающих 60°, процесс напыления становится чувствительным к изменению условий напыления и нестабильным. При работе электрометаллизатора на постоянном токе напыляемая проволока, выполняющая функции анода, расплавляется приблизительно на 50% быстрее, чем катод (теоретически на аноде выделяется 66% тепловой энергии дуги). Значит, анодную проволоку следует подавать быстрее катодной. Однако на практике не возникает необходимости в разных скоростях подачи электродов. Поэтому проволоки подаются с одинаковой скоростью.

Наиболее важным при напылении является правильная регулировка тока, позволяющая уравновесить скорости подачи проволок со скоростью их расплавления и таким образом обеспечить постоянство длины дуги. При напылении расстояние от электрометаллизатора до покрываемой поверхности обычно составляет 100-200 мм.

v Обработка напыленных покрытий

Покрытие, полученное после напыления, по своей структуре является в значительной степени пористым. Пористость его можно в некоторых случаях эффективно использовать. Однако наиболее широкое применение находят плотные покрытия. Заполнять поры можно путем нанесения на покрытие слоя краски, пропиткой покрытия специальными составами.

v Механическая обработка покрытий

В ряде случаев не обязательно слишком точно выдерживать толщину напыляемого покрытия. Необходимо учитывать, что после напыления поверхность получается грубой. Поэтому, когда необходимо получить чистую поверхность с точными размерами, напыленное с некоторым припуском покрытие подвергают механической обработке. Основными видами механической обработки напыленных покрытий является резание и шлифование.

Покрытия из углеродистых и коррозионностойких сталей. Для обработки покрытий из углеродистых и коррозионностойких сталей можно использовать быстрорежущий и твердосплавный инструмент. Можно проводить как мокрое, так и сухое шлифование напыленных покрытий. Мокрое шлифование предпочтительнее в случаях, когда не возникает проблем, связанных с проникновением охлаждающей жидкости в поры покрытия. Грубое шлифование (как сухое, так и мокрое) может привести к образованию трещин на шлифуемой поверхности. Поэтому, чтобы после шлифования получить хорошую поверхность, необходимо правильно выбрать шлифовальный круг и режимы шлифования. Обычно для шлифования напыленных покрытий используют круги со сравнительно грубой структурой и непрочной связкой. Окончательная обработка производится при очень малых подачах.

После окончательного шлифования поверхность покрытия должна иметь матовый блеск и содержать мелкие поры. Слишком блестящая поверхность, на которой отсутствуют поры, указывает на неправильное шлифование и возможность ее засаливания.

Уплотнение покрытия, заполнение его пор уплотняющими материалами, когда это необходимо, производят перед шлифованием. Уплотняющие материалы препятствуют проникновению в поры покрытия частиц абразивных материалов, используемых при шлифовании. Если поры покрытия не заполнены уплотняющими материалами, то после шлифования необходимо промыть покрытие и удалить частицы, попавшие в него при шлифовании. Это особенно важно для покрытий, наносимых на поверхность подшипников.

Напыленные покрытия используют для придания поверхностям деталей раз-личных конструкций, машин и приборов таких свойств, как износостойкость, жаростойкость, коррозионная стойкость, а также в качестве тепло- и электроизоляции и т. д.

Конструкционные материалы, из которых изготовляют различные строительные конструкции, резервуары для химических продуктов, суда и другие сооружения, при строительстве обрабатывают напылением. Напыление в этом случае применяют для защиты от коррозии. На деталях машин и аппаратов напыление в основном используют для ремонта участков, которые износились в процессе эксплуатации в результате трения или эрозии. Напылением сравнительно просто наносить покрытия на участки из самых разнообразных материалов и надежно защищать эти участки. При умелом использовании особенностей напыления еще на стадии проектирования можно в значительной степени повысить экономичность конструкции и ее технические характеристики.

Применение напыления в общем машиностроении. Коррозионностойкость и износостойкость являются важными характеристиками напыленных покрытий, которые в значительной степени определяют области их применения.

Напыленные покрытия широко применяются в различных видах промышленности :

~ в автомобильной промышленности - кулачковый вал, головка клапана, вал водяного насоса, шкворень, кулачки тормоза, поршень, цилиндр, пластина муфты, выхлопной клапан и др.;

~ в цементной промышленности - крыльчатка воздуходувок, детали конвейеров, клапаны и седла клапанов, подшипники;

~ в химической промышленности-клапаны и седла клапанов, крыльчатка и оси насосов, кислотостойкие плунжеры насосов, втулки, кольца и др.;

~ в угольной и металлообрабатывающей промышленности - лопатки насосов, детали проходческих комбайнов, защитные экраны, детали пневмооборудования, матрицы, пуансоны и другие де тали штамповочного оборудования и др.;

~ в станкостроительной промышленности - различные калибры, оправки, детали полировальных станков, втулки уплотнений, центры токарных станков, шнеки;

~ в энергетической промышленности - шнеки для подачи каменного угля, вентиляционное оборудование, паровые клапаны, детали конвейеров и др.;

~ в других областях - различные подшипники, коленчатые валы, вальцы, зубчатые колеса (зубья) и др.

v Твёрдость поверхности

Определение твёрдости напылённых слоёв вследствие гетерогенной структуры в большинстве случаев вызывает проблемы. Из-за относительно малой толщины покрытия отпадают измерительные методы с большими нагрузками, показывающие хорошие средние значения. Способы измерения при малых нагрузках зависят от случайного положения измерительного отпечатка, что может привести к определению очень малой величины из-за попадания в скрытую пору. Для композиционных материалов наоборот может быть получена экстремально большая величина при попадании на твёрдую частицу, находящуюся в мягкой матрице. Поэтому в большинстве случаев используют измерение микротвёрдости с лучшим определением отпечатка, или используют методы царапания и рисок, допускающих широкий разброс измеряемых величин. Нужно иметь ввиду, что анитропия, обусловленная слоистой структурой, имеет влияние на измерение твёрдости. В целом можно констатировать, что в силу особенностей покрытия твёрдость покрытий не определяет его износостойкость, как это проявляется у массивных (литых) материалов. Часто наблюдается, что напылённое покрытие с низкой твёрдостью превосходит массивный (литой) материал с высокой твёрдостью по износостойкости.

v Толщина покрытий

Из техники покрытий известно, что склонность к образованию трещин сильно возрастает с ростом толщины слоя. Это относится и к напылённым покрытиям, поскольку, в сущности, напылённое покрытие имеет слоистую структуру с порами, состоящую из многих высокопластичных микропластин. Необходимо учитывать опасность образования трещин у толстых покрытий, которые часто делают из желания возможно большего запаса для износа или многократной механической обработки. Эта опасность, прежде всего, имеет место для твёрдых покрытий, например, при сильной разнице поведения при тепловом удлинении материалов покрытия и основы. Если всё же необходимо нанести толстое покрытие, то используют промежуточные слои, обеспечивающие сцепление и выравнивание напряжений.

v Коррозионная стойкость

Коррозионностойкость напылённых покрытий в основном определяется следующими тремя факторами: Материал покрытия: возможно нанесение покрытий из многих коррозионностойких материалов. При этом надо иметь в виду, что при распылении происходит изменение сплава. Так, например, для нержавеющих и кислотостойких сталей может наступить обеднение хрома на краях микропластин, тогда после напыления эти материалы только условно могут служить защитой от коррозии и кислот. Если распыляют чистые элементы, например, никель или хром, изменений не наблюдается. Особенно коррозионностойкими являются керамические материалы.

Пористость пагубно сказывается на коррозионной стойкости покрытий. Рекомендуется поры уплотнять. Также из вышеизложенного следует, что при неуплотнённых порах материал подложки должен быть коррозионностойким.

Свойства и состав покрытий, в силу условий их формирования, обычно сильно отличаются от исходных распыляемых материалов.

Качество покрытий зависит от большого числа переменных факторов (по данным разных авторов до 60), таких как конструкция распылителя (плазмотрона, газовой горелки, электрометаллизатора и т.д.); род и расход газов; потребляемая мощность; физико-химические свойства; грануляция напыляемого материала и скорость его подачи; расстояние от распылителя до подложки (напыляемой поверхности); состав защитной атмосферы; способ подготовки поверхности изделия; температурный режим в процессе формирования покрытия и т.д. Поэтому в зависимости от напыляемого материала, а также от материала и формы изделия, обычно для каждого конкретного случая режим напыления подбирается экспериментально, руководствуясь общими положениями теории газотермических покрытий.

Наиболее общими причинами, определяющими свойства напыленных материалов, являются:

~ воздействие окружающей атмосферы на напыляемый материал;

~ пониженная прочность сцепления на границах между частицами и слоями покрытия, нанесенными за один проход, возникающая в следствие неполного схватывания, а также повышенного содержания окислов, пор и других включений в пограничных областях;

...