СПОСОБ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ МЕТАЛЛИЗАЦИИ
ELECTRIC ARC SPRAYING METHOD

Изобретение относится к способам получения газотермических износостойких покрытий для восстановления или упрочнения рабочих поверхностей, в частности, внутренних диаметров тел вращения с обеспечением возможности их механической обработки лезвийным инструментом. Может быть использовано в различных отраслях машиностроения, нефтегазодобывающей промышленности, при изготовлении новых и ремонте изношенных деталей теплоэнергетического оборудования, на ремонтных предприятиях железнодорожного транспорта и других отраслях народного хозяйства, связанных с ремонтов быстроизнашивающихся деталей и узлов основного и вспомогательного оборудования путем нанесения износостойких покрытий различными материалами.
Известен способ получения износостойких металлизационных покрытий с использованием самофлюсующихся твердых сплавов на основе никеля, металлокерамических композиционных материалов и металлических покрытий на основе железа методами газопламенного, плазменного напыления и электродуговой металлизации. При использовании одновременно двух проволок разного состава возможно отслоение покрытий из-за нарушения стабильности собственно процессов нанесения покрытия, недостаточная адгезия может не обеспечивать требуемой прочности покрытий. Для снижения риска отслоения покрытий чаще всего используют предварительный подогрев, введение в состав покрытий пластических составляющих и согласование коэффициентов линейного термического расширения материалов обрабатываемого изделия и покрытия (Хасуй А. Техника напыления. - М.: Машиностроение, 1975. - 288 с. Пер. с япон.).
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к описываемому изобретению является способ электродуговой металлизации, при котором зажигание дуги постоянного тока осуществляют между двумя проволочными электродами с различными диаметрами и/или с различным химическим составом. Электроды подключают к разноименным полюсам источника питания и подают с различными скоростями. Причем электрод, требующий большего количества теплоты, соединяют с положительным полюсом. Однако известный способ, позволяя повысить производительность, не решает задачи получения заданного фазового состава износостойкого покрытия (Патент РФ №2021391, кл. С23С 4/12, публ. 15.10.94, прототип).
Наилучшим сочетанием износостойкости и способностью сопротивляться ударному воздействия механических и тепловых нагрузок, а также обрабатываемостью лезвийным инструментом обладают композиционные покрытия, состоящие из равномерно распределенных твердых и мягких фаз. Твердые фазы обеспечивают повышение износостойкости, а мягкие демпфируют удары и обеспечивают отвод тепла от трущихся поверхностей. Оптимальным сочетанием свойств обладают покрытия, содержащие от 60 до 80% (об.) фаз с высокой твердостью, остальной объем - фазы, образующие эластичную связку. Эти фазы должны равномерно распределяться по всему объему покрытия и образовывать структуры с взаимопроникающими компонентами.
Предлагаемое изобретение решает техническую задачу получения заданного состава износостойкого покрытия из напыляемых материалов без образования слоистых структур и с равномерным распределением структурных составляющих.
р
пл
пл
При напылении покрытий из порошковых материалов имеется возможность создавать композиции с любым объемным соотношением компонентов за счет регулирования их в исходном составе композиции. При электродуговой металлизации эти возможности ограничены условиями стабильности горения дуги между проволочными электродами. Количество тепла, выделяющееся при горении дуги на положительном электроде, в 2 раза больше, чем на отрицательном, поэтому расход проволоки - анода при использовании двух проволок с одинаковым или близкими теплофизическими характеристиками должен быть в 2 раза больше, чем проволоки-катода. При использовании проволок из различных материалов их расходы должны определяться теплофизическими характеристиками материалов, в первую очередь плотностью, теплоемкостью и температурой плавления. Обозначив произведение этих трех величин γС-Т как коэффициент трудности плавления K материалов и учитывая распределение тепловых потоков в катод и анод, получаем необходимое соотношение объемов проволок, обеспечивающих стабильное горение дуги
1
2
2
где P и P- расход каждой из проволок в единицу времени, равный γVД/4, где
γ - плотность материала, V и Д - скорость подачи и диаметр проволоки,
1
2
K и K- соответственно коэффициенты трудности их плавления.
При одинаковой скорости подачи проволок V соотношение (1) выполняется за счет выбора их диаметров. С учетом этого выражение (1) можно преобразовать
1
2
Отсюда для материалов одного класса (K=K) можно получить приближенную зависимость
Выбирая материалы и режимы электродугового напыления при разработке композиционных износостойких покрытий, необходимо соблюдать выполнение требований стабильности горения дуги и объемного соотношения компонентов в покрытии. Это достаточно хорошо выполняется при использовании в качестве анода углеродистой проволоки в сочетании с катодной проволокой, изготовленной из малоуглеродистой стали или никеля. В этих случаях объем мягкого компонента в покрытиях составляет 30-33%. При использовании в качестве катодной проволоки меди ее доля в покрытии составляет не менее 42%, в композициях сталь-алюминий объемная доля мягкой фазы еще больше - 64%, что значительно больше оптимального варианта. Попытки снизить содержание мягкого компонента в покрытиях, устанавливая расход проволоки меньше, чем указано в зависимостях (1)-(3), вызывает нестабильность работы оборудования, в результате образующейся пульсации дуги нарушается равномерность распределения материалов в напыляемом слое.
1
2
Поставленная техническая задача решается тем, что в способе электродуговой металлизации поверхностей изделий, включающем зажигание дуги постоянного тока между двумя перемещаемыми проволочными электродами, каждый из которых соединен с одним из полюсов источника питания, и нанесение слоя покрытия, диаметры Д и Д проволочных электродов выбирают из условия , где
1
2
р
пл
K и K - коэффициенты, равные произведению плотности γ на теплоемкость С и на температуру плавления Т материала электрода, электрод большего диаметра подключают к положительному полюсу источника питания, электрод меньшего диаметра - к отрицательному полюсу, а нанесение слоя покрытия осуществляют с перемещением обрабатываемого изделия относительно проволочных электродов в направлении со стороны проволоки, являющейся анодом, в сторону проволоки - катода.
Такое выполнение способа позволяет решить поставленную техническую задачу за счет изменения параметров режима металлизации путем воздействия на температурное состояние при формировании слоев и посредством этого влиять на физико-механические характеристики покрытий. Таким образом, происходит разбавление закалочных мартенситных структур, склонных к растрескиванию, например, перлитными структурами с достаточно высокой твердостью, пластичностью, способных релаксировать пиковые напряжения и обеспечивающих высокую износостойкость. Коэффициент термического расширения получаемых таким способом покрытий практически не зависит от содержания углерода в исходных проволочных материалах и режимов металлизации. Он несколько отличается от соответствующих значений компактных материалов, но достаточно хорошо согласуется с характеристиками материала подложки.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется схемой, показанной на фиг.1, заключается в распылении воздухом через сопло 1 двух расходных проволочных электродов 2, между которыми возбуждается дуговой разряд. Струя сжатого воздуха эвакуирует с электродов расплавленный металл и формирует из него покрытие 3 на обрабатываемой поверхности изделия 4, которое перемещают, как показано стрелкой, со стороны проволоки-анода 2А большего диаметра в сторону проволоки-катода 2K меньшего диаметра.
+
Пример конкретного выполнения. Описываемый способ использовали при ремонте направляющих аппаратов погружных центробежных насосов типа ЭЦН для добычи нефти. При реализации способа использовали технологический комплекс (линию), включающий установку для струйно-абразивной подготовки обрабатываемой поверхности и установку электродуговой металлизации с модернизированным металлизатором, обеспечивающим направление перемещения компактной металлизационной струи относительно обрабатываемого изделия перпендикулярно плоскости, проходящей через оси металлических проволочных электродов. Толщину наносимого слоя регулировали скоростью подачи проволочных электродов и временем экспозиции обрабатываемого изделия в зоне напыления, которые определяются условиями теплоотвода и автоматическим подогревом подложки для исключения отслоения покрытий. Диаметр реставрируемых ступиц направляющих аппаратов составлял 21,9_0,1 мм, с учетом необходимости последующей механической обработки отверстий покрытия напыляли с припуском. Покрытия наносили из хромистых сталей (13% Cr). Наилучшие результаты показал псевдосплав 12Х13+08Г2С, напыленный из проволок диаметром 1,6 и 1,2 мм соответственно, которые выбирали из соотношения . Перемещение детали путем вращения производили со стороны проволоки-анода 12Х13+08Г2С в сторону проволоки-катода 08Г2С. Полученные покрытия имеют феррито-перлитную структуру с небольшим количеством карбидов и отличаются равномерным распределением структурных составляющих по объему напыленного слоя. Режим напыления: дистанция - 150 мм, ток - 90 А, напряжение - 25 В.
Предложенный способ позволяет повысить срок службы изделия, увеличить межремонтные сроки добывающего оборудования.