Совершенствование технологии плазменных покрытий при упрочнении и восстановлении деталей машин

УДК 621.793

С.Г. Мчедлов

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПЛАЗМЕННЫХ ПОКРЫТИЙ ПРИ УПРОЧНЕНИИ И ВОССТАНОВЛЕНИИ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Представлена усовершенствованная технология (блок-схема) плазменных покрытий на рабочую поверхность деталей машин при их упрочнении и восстановлении.

S.G. Mchedlov

PLASMA COATING TECHNOLOGY PERFECTION AT MACHINE PARTS CONSOLIDATION AND RECONSTRUCTION

The article presents improved technology (block-scheme) of plasma coating of machine parts’ working surfaces at their reinforcing and reconstructuction.

Развитие современной техники характеризуется дальнейшей интенсификацией режимов работы машин, что приводит к увеличению рабочих давлений, скоростей, температур, то есть к значительному повышению нагрузок на рабочую поверхность деталей узлов и, особенно, подвижных сопряжений (узлов трения).

Общеизвестно, что основной причиной отказов в работе машин является не их поломка, а износ рабочих поверхностей. Это обстоятельство поднимает актуальность проблемы надежности и ресурса деталей на более высокий уровень [1,7,13,25 и др.].

Решение актуальных проблем повышения надежности и ресурса деталей на современном уровне развития науки и техники осуществляется по ряду направлений, из которых следует выделить тенденцию к повышению прочности и износостойкости деталей путем замены конструкционных материалов новыми с более высокими химико-физико-механическими свойствами. Однако здесь обнаружилось весьма важное негативное обстоятельство, а именно: материалы «старого типа» в условиях интенсивных режимов эксплуатации не обеспечивают должной надежности. Такое положение сдерживает развитие новой техники, что заставляет проводить ряд научно-технических мероприятий, среди которых следует выделить создание новых типов защитных покрытий, в том числе износостойких, на базе применения прогрессивных технологий, в частности плазменных покрытий (плазменное напыление) [6,7,8,12,14,15,25,30 и др.].

Нанесение покрытий методом плазменного напыления является разновидностью газотермических покрытий (детонационное, газоплазменное, электродуговая металлизация, плазменное напыление / наплавка) [6,25 и др.].

Плазменное напыление покрытий основано на использовании энергии низкотемпературной плазмы. Этот метод начал применяться с 50-х годов ХХ века. Первые отечественные разработки в этом направлении были выполнены в Институте металлургии им. А.А. Байкова под руководством академика А.А. Рыкалина и доктора технических наук И. Д. Кулагина [15].

Низкотемпературная плазма (до 100000 К) обладает высокими энергетическими и газодинамическими параметрами, что делает ее практически универсальным инструментом для напыления покрытий. В плазменной струе практически расплавляется любой материал, известный в природе (чистые металлы, оксиды, силициды, карбиды, нитриды, бориды, их сплавы и др.). Непригодными являются материалы, которые подвержены сублимации и разрушению в плазменной струе. Параметры плазменной струи (мощность, температура, тепловой поток и др.) легко регулируются в современных плазменных установках. Низкотемпературная плазма генерируется в специальных устройствах - плазмотронах (горелках), среди которых наибольшее распространение в технике напыления получили электродуговые плазмотроны. Плазмотрон входит в состав комплекта плазменной установки (см. рис. 1, 2) [6,8,9,15,25,30 и др.].

В качестве исходного газового агента для образования низкотемпературной плазменной струи применяются следующие плазмообразующие газы: аргон Ar, азот N2, водород H2, гелий He, аммиак NH3, углекислый газ CO2, воздух, их смеси, а также вода H2O, которые под действием высокой температуры дугового электрического разряда (~6000 К) превращаются в низкотемпературную плазму (—>100000 К), истекающую в виде струи с высокой скоростью из сопла -

анода плазмотрона. В плазменную струю подается порошковый материал, преимущественно грануляции 0,04...0,10 мм, который, претерпевая тепловое воздействие плазменной струи, расплавляется / оплавляется и транспортируется на поверхность детали (см. рис. 3).

Рис. 1. Схема взаимодействия основного плазменного оборудования для напыления покрытий: 1 - камера для напыления с местной вытяжной вентиляцией; 2 - плазмотрон; 3 - шкаф управления УПУ-3Д; 4 - источник питания ИПН 160/600; 5 - водяной насос;

6 - бак с охлаждающей водой; 7 - баллоны с газом (аргон, азот). Электропечь для изотермической обработки деталей и оборудование для механической обработки деталей не показаны

Рис. 2. Схема конструкции электродугового плазмотрона: 1 - подвод постоянного тока и охлаждающей воды; 2 - вода; 3 - катод; 4 - анод; 5 - изолятор; 6 - рабочий газ;

7 - рукоятка; 8 - порошок

Рис. 3. Плазменное напыление покрытия на деталь порошковым материалом [30]

Проведенный аналитический обзорный анализ известных технологий плазменных покрытий по упрочнению / восстановлению рабочих поверхностей деталей машин, а также выполненный значительный объем экспериментальных исследований по упрочнению / восстановлению широкой гаммы деталей машин, в том числе: коленчатые валы (опорные / шатунные шейки), распределительные валы (опорные шейки), шейки валов коробок передач, крышки подшипников, поворотные кулаки, вкладыши, поршневые кольца, полувтулки подшипников скольжения и ряд других (при широком диапазоне типоразмеров, особенно поршневых колец), позволили установить следующее: применение технологии плазменного напыления защитных покрытий на рабочую поверхность деталей, особенно работающих в подвижном сопряжении (узлы трения), при соблюдении регламентируемых значений техноло-

гических параметров (качество подготовки поверхности, качество подготовки порошкового материала, соблюдение режимов напыления и др.), повышает их ресурс и надежность. Это объясняется прежде всего наличием в покрытии взаимопроникающих объемноповерхностных пор, в которых постоянно удерживается смазочный материал, наличие которого эффективно влияет на работу пары трения, при этом плазменное покрытие должно иметь высокую адгезионную связь с субстратом (основой), что обеспечивается соблюдением требований технологии (оадг.>окр.) [25].

В процессе экспериментальных исследований был обнаружен большой разброс параметров качества плазменных покрытий, в том числе величина адгезионной / когезионной связи, что свидетельствует о скрытых резервах этой технологии. Поэтому была поставлена задача - разработать регламентированный комплексный технологический процесс, обеспечивающий плазменным покрытиям стабильные высокие эксплуатационные параметры качества. Задача была решена. Новизна технических решений подтверждена рядом авторских свидетельств на изобретения, в том числе [26,27].

Обобщенные комплексы взаимосвязанных в определенной последовательности операций (блок-схема, см. рис. 6), разработанного технологического процесса плазменного напыления защитных покрытий при упрочнении и восстановлении рабочей поверхности деталей машин широкой номенклатуры (оси, валы, втулки кольца и другие) приводятся ниже.

1. Анализ особенностей конструкции детали. Определение характера и величины износа рабочей поверхности

После того, как деталь будет тщательно очищена от всех видов загрязнений (абсорбций, хемосорбций), она тщательно анализируется по конструктивным признакам (габариты, вес, канавки, острые кромки, особенности поверхностей, характер и величина износа (при восстановлении), наличие трещин, сколов и др.). Анализ проводится опытным технологом, который принимает решение о применении плазменного напыления для упрочнения / восстановления рабочей поверхности детали.

2. Анализ материала конструкционной основы детали.

Устанавливаются марка материала детали, его химический состав, физикомеханические свойства (по ГОСТам). Принимается решение о возможном применении плазменного напыления на рабочую поверхность детали.

3. Анализ условий работы детали.

Определяются и анализируются различные факторы воздействия на рабочую поверхность детали (физические, механические, химические и др.). Принимается решение о возможности применения плазменного напыления покрытия на рабочую поверхность. Выбирается (ориентировочно) материал покрытия в зависимости от обеспечения служебных свойств рабочей поверхности.

4. Определение величины (толщины) слоя плазменного покрытия.

Величина слоя напыляемого плазменного покрытия определяется от допустимого значения износа рабочей поверхности при обязательном обеспечении регламентированного ресурса работы детали и экономической целесообразности. Также учитываются когезионные свойства напыляемого материала.

5. Выбор материала для плазменного покрытия и его подготовка для напыления.

Порошковый материал для плазменных покрытий выбирается в зависимости от служебных свойств рабочей поверхности детали, особенностей материала конструкционной основы детали, экономической целесообразности, его технологичности и ряда других факторов. Например, как показали многочисленные исследования, оптимальным вариантом на настоящее время для износостойких антифрикционных плазменных покрытий на рабочие поверхности деталей машин (коленчатые валы, оси, втулки, поршневые кольца и др.) является композиционный порошок с экзотермическим эффектом плакированной конструкции грануляции 0,04.. .0,10 мм хи-

мической системы (№)-(Л1), где алюминиевое ядро плакировано никелевой оболочкой (см. рис. 4). Адгезионные свойства этого порошкового материала показаны на рис. 5.

а б

Рис. 4. Частицы композиционного плакированного порошка: а - общий вид порошка в гранулах 80 (Ы1)-20(Л!) 250х; б - сечение одной частицы - 600х [6]

Рис. 5. Схема изменения прочности сцепления о плазменного покрытия из порошкового материала (М1)-(Л!) на образцах из серого чугуна в зависимости от толщины покрытия

Порошковые материалы, применяемые для плазменного напыления покрытий, весьма гигроскопичны, поскольку в насыпном состоянии содержат сильно развитую капиллярную сеть, образующуюся в результате объединения всех пор, находящихся между частицами порошка, что является причиной капиллярной конденсации влаги из атмосферы воздуха. Просушку порошков осуществляют в зависимости от их химического состава. Чистые металлы, их сплавы и композиты сушат в электропечи при температуре 120...130°С не менее трех часов, при этом порошки находятся в обезжиренных лотках из нержавеющей стали. Охлаждение производят в закрытой печи при отключенной электроэнергии до комнатной температуры 18...25°С. Тугоплавкие порошковые материалы (оксиды, бориды, силициды, карбиды и др.) сушат при температуре 600...700°С в муфельных печах не менее 6 часов. Охлаждение аналогично чистым металлам. После просушки порошки просеивают в вибросите, например мод.

029. Затем порошки рассыпают в герметичную тару. Срок годности этих порошков не более 24 часов. Отсыревшие порошки вновь подвергают вышеописанной обработке (подготовке).

Для тугоплавких порошковых материалов выделяется фракция 0,02.0,07 мм. Для металлов - 0,04.0,10 мм. Следует отметить, что отечественная порошковая металлургия выпускает широкую номенклатуру порошков, пригодных для технологии плазменных покрытий [6].

Рис. 6. Блок-схема технологии плазменного напыления покрытий при упрочнении и восстановлении деталей машин

6. Выбор оборудования для плазменного напыления покрытия.

Выбор оборудования для плазменного напыления защитных покрытий на рабочую поверхность деталей машин обусловлен конструкторско-технологическими особенностями детали, служебным назначением покрытия, экономической целесообразностью и рядом других показателей. Как показали экспериментальные работы для широкого диапазона технологий эффективной оказалась отечественная универсальная плазменная установка мод. УПУ (3,3Д, 8М), которая позволяет в качестве плазмообразующих газов применять аргон, азот, водород и обеспечивает нанесение покрытий из металлов, их сплавов, композитов, а также тугоплавких порошков (оксиды, карбиды и др.). Экспериментальные работы, проводимые на УПУ-3Д, позволили получать высококачественные износостойкие плазменные покрытия на коленчатых валах, поршневых кольцах и других деталях машин [25].

7. Подготовка рабочей поверхности детали под плазменное покрытие.

Этот комплекс технологических операций является весьма ответственным. Неправильно подготовленная поверхность под плазменное покрытие неизбежно приводит к отслоению покрытия, то есть к браку.

Детали перед плазменным покрытием должны быть тщательно обезжирены (ацетон, толуол, уайт-спирит и др.). С рабочей поверхности должен быть удален дефектный слой (механическим способом без охлаждающей жидкости) и, с предварительным подогревом, рабочая поверхность должна быть активирована путем сухой струйно-абразивной обдувки при углах обдува, близких к нулю (тангенциально) абразивным агентом, например ДЧК-08 ГОСТ 11964.

8. Нанесение плазменного покрытия.

Качество плазменного покрытия определяется соблюдением режимов технологии напыления, среди которых могут содержаться взаимокомпенсирующие параметры (например, мощность - дистанция и др.). Следует обратить особое внимание на квалификацию оператора, который визуально фиксирует качество покрытия. Одним из важнейших показателей качества напыления является прочность сцепления покрытия с субстратом (основой) - адгезия, которая в общем случае зависит от величины тока /, напряжения дуги и, дистанции напыления I, грануляции порошка й0, расхода транспортирующего газа Отр, плазмообразующего газов Опл, скорости перемещения «пятна» напыления у„ и др.:

оадг — СЛ U, Ь do, Gmр, Gnл, 'vп, .

Следует отметить, что перед напылением поверхность детали прогревают плазменным факелом до 100.120°С.

9. Изотермическая выдержка детали с плазменным покрытием.

Для стабилизации свойств покрытия деталь помещают в электропечь при температуре 110.120°С и выдерживают не менее 8 часов, после чего медленно охлаждают в электропечи до комнатной температуры.

10. Механическая обработка плазменного покрытия после изотермической выдержки в электропечи.

В настоящее время нет точных или общепринятых данных (рекомендаций) по режимам механической обработки плазменных покрытий, а также геометрии режущего инструмента. Это обусловлено прежде всего анизотропными свойствами плазменных покрытий, несоответствием коэффициентов термического расширения, резко отличающимися физикомеханическими свойствами покрытий, полученных из различных материалов, наличием в плазменном покрытии различных фазовых включений разной твердости и рядом других особенностей, присущих конкретному плазменному покрытию [6,25]. Для конкретных технологий разрабатывают опытным путем свой метод механической обработки плазменных покрытий, исходя из особенностей исходного материала. Это может быть резание или шлифование или комбинированный метод обработки поверхности. Например, для обработки плазменного покрытия из композита химической системы (№)-(Л1), наносимого на рабочую поверхность поршневых колец номинального диаметра 355 мм, применялся лезвийный способ обработки фасонным резцом из твердосплавного материала марки ВК-6 [25]. Для обработки плазменных покрытий из порошковых материалов химической системы Сг-№-В-81-(Ре) с пониженным содержанием кислорода, которые нашли широкое распространение при восстановлении деталей автотранспорта механическую обработку рекомендуется проводить алмазными кругами.

11. Изотермическая выдержка детали с плазменным покрытием в электропечи.

После механической обработки плазменного покрытия деталь помещают в электропечь при температуре 110.130°С, где выдерживают не менее 8 часов. Охлаждают вместе с отключенной электропечью. Эта операция способствует выравниванию и стабилизации физико-механических свойств в плазменном покрытии за счет перераспределения избыточных внутренних напряжений; происходит перегруппировка дислокаций и вакансий, что ведет к релаксационным процессам и аккомодации в материале покрытия. Теория этих процессов очень сложна и мало изучена [25 и др.].

12. Контроль качества детали с плазменным покрытием.

Контроль адгезионной прочности плазменного покрытия производится на сопутствующих технологических образцах. Контроль пористости также осуществляется на технологических образцах. Следует отметить, что контроль качества плазменного покрытия осуществляется визуально на протяжении всей технологии. Недопустимы следующие виды дефектов: наличие пузырей, вспучиваний, ряби, цветных пятен, сколов, отслоения, шелушения, трещин и др. Покрытие должно иметь равномерно матовый цвет. Микротвердость плазменного покрытия контролируется также на образцах-имитаторах.

Выводы

Предложен концептуальный подход к совершенствованию технологии упрочнения и восстановления рабочей поверхности деталей машин методом плазменного напыления защитных покрытий. Работа основана на проведенных экспериментальных исследованиях [25 и др.]. Рекомендуется углубить теоретические аспекты вышеизложенных операционных комплексов, особенно наукоемких, таких как подготовка поверхности под покрытие, режимы напыления.

ЛИТЕРАТУРА

1. Авдонькин Ф.Н. Повышение срока службы автомобильных двигателей. Саратов: Приволж. кн. изд-во, 1969. 278 с.

2. Алексаньян И.М. Износостойкость поршневых колец // Труды Ростов. ин-та жел.-дор. трансп. Ростов-н/Д, 1975. Вып.9. С.3-5.

3. Аппен А. А. О теоретических критериях адгезии покрытий с металлом // Неорганические и органические покрытия. Л., 1975. С.3-11.

4. Бжозовски В. Низкотемпературная плазма. М.: Мир, 1963. 151 с.

5. Бобылев А.В. Механические и технологические свойства металлов. М.: Металлургия, 1987. 208 с.

6. Газотермические покрытия из порошковых материалов / Ю.С. Борисов, Ю.А. Харламов, С.Л. Сидоренко, Е.Н. Ардатовская: Справочник. Киев: Наукова думка, 1987. 545 с.

7. Вадивасов Д.Г. Восстановление деталей металлизацией. Саратов, 1988. 280 с.

8. Готлиб Л.И. Плазменное напыление. М.: ЦИНТИхимтефтемаш, 1970. 72 с.

9. Донской А.В., Клубникин В.С. Электроплазменные процессы и установки в машиностроении. Л.: Машиностроение, 1979. 221 с.

10. Клименко Г.К. Генераторы плазмы. М.: МВТУ, 1977. 83 с.

11. Коротаев А.С. Электродуговые плазмотроны. М.: Машиностроение, 1980. 175 с.

12. Костиков В.И., Шестерин Ю.А. Плазменные покрытия. М.: Металлургия, 1978.

160 с.

13. Крагельский И.В., Михин И.М. Узлы трения машин. М.: Машиностроение, 1984.

14. Кречмар Э. Напыление металлов, керамики и пластмасс. М.: Машиностроение, 1966. 432 с.

15. Кудинов В.В. Плазменные покрытия. М.: Наука, 1977. 184 с.

16. Лясников В.Н., Украинский В.С., Богатырев Г.Ф. Плазменное напыление покрытий в производстве изделий электронной техники. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1985. 200 с.

17. Мчедлов С.Г. Плазменное напыление износостойких покрытий на поршневые кольца // Теоретические и технологические основы изготовления поршневых колец: Сб. науч. раб. Саратов: СХИ, 1978. Вып.108. С.80-86.

18. Мчедлов С.Г. Обработка поверхностей под напыление // Автомобильный транспорт. 1990. № 11. С.42.

19. Мчедлов С.Г. Технология упрочнения поршневых колец плазменным покрытием // Актуальные проблемы транспорта Поволжья и пути их решения: Межвуз. науч. сб. Саратов: СГТУ, 2001. С.149-151.

20. Мчедлов С.Г. Технология формирования высокоэффективной рабочей поверхности деталей машин на основе газотермических покрытий (при изготовлении и восстановлении) // Совершенствование технологии и организации обеспечения работоспособности машин с использованием восстановительно-упрочняющих процессов: Сб. науч. статей по материалам Междунар. науч.-практ. конф. Саратов: СГТУ, 2003. С.267-268.

21. Мчедлов С.Г. Применение тангенциальной обработки свободным абразивом поршневых колец под плазменное покрытие // Прогрессивные направления развития технологии машиностроения: Межвуз. науч. сб. Саратов: СГТУ, 2003. С. 10-13.

22. Мчедлов С.Г. Актуальные задачи технологии газотермических покрытий при упрочнении и восстановлении деталей машин // Автоматизация и управление в машино- и приборостроении: Межвуз. науч. сб. Саратов: СГТУ, 2003. С. 158-161.

23. Мчедлов С.Г. Восстановление деталей двигателя внутреннего сгорания газотермическими покрытиями // Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания: Материалы Межгосударств. науч.-техн. семинара. Вып.16. Саратов: СГАУ, 2004. С. 110-112.

24. Мчедлов С.Г. Экономическая эффективность поршневых колец с плазменным покрытием в двигателях внутреннего сгорания // Технологическое формирование качества деталей при восстановлении и упрочнении: Межвуз. науч. сб. Саратов: СГТУ, 1977. С.81-85.

25. Мчедлов С.Г. Совершенствование технологии изготовления поршневых колец на основе применения тангенциальной обработки свободным абразивом поверхности под упрочняющее плазменное покрытие: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. Саратов: СГТУ, 2002. 16 с.

26. А.с. 1215967 СССР. Способ абразивной обработки наружной поверхности / С.Г. Мчедлов. Б .И. 1986, № 9. 2 с.

27. А.с. 1635080 СССР. Образец для определения прочности сцепления газотермических покрытий с основным материалом / С.Г. Мчедлов. Б.И. 1989, № 29. 2 с.

28. Теория и практика плазменного напыления: Труды МВТУ им. Баумана. М., 1977. Вып.237.

29. Финкельнбург В., Меккер Г. Электрические дуги и термическая плазма. М.: Изд-во иностр. литературы, 1961. 371 с.

30. Хасуй А. Техника напыления: Пер. с яп. М.:. Машиностроение, 1975. 288 с.

Мчедлов Сурен Г еоргиевич -

кандидат технических наук, доцент кафедры «Технология машиностроения»

Саратовского государственного технического университета