Достоинством электроискрового способа можно считать то, что обработка металла производится непосредственно электрическим разрядом без затраты механической энергии

Основным недостатком этого способа является малая толщина наращиваемого слоя металла — до 0,2 мм.

Кроме того, электроискровым способом производят прошивку отверстий различных диаметров и формы (круглые, трехгранные, квадратные, эллипсные и др.) при удалении сломанных крепежных деталей и инструмента. Деталь, в которой необходимо прошить от­верстие, помещают в ванну, заполненную рабочей жидкостью (ди­электриком). Слой рабочей жидкости над поверхностью детали должен быть не менее 100 мм, чтобы в процессе работы установ­ки не произошло возгорание. При большом размере обрабатывае­мой детали делают местную ванну или в промежуток между дета­лью и электродом-инструментом подают воду.

По мере внедрения электрода-инструмента в деталь его пере­мещают вдоль оси для поддержания постоянного искрового про­межутка между электродом и деталью. Для прошивки отверстий применяется высоковольтная конденсаторная схема с источником постоянного тока напряжением 120—220 В, емкостью конденсато­ра 100—400 мкФ и током короткого замыкания электродов 7—30 А. В качестве источника питания используются полупроводниковые выпрямители. В последнее время для питания установок применяют машинные импульсные генераторы, что позволяет повышать произ­водительность прошивки и снижать износ электрода-инструмента.

В качестве рабочей жидкости применяют смесь, состоящую из 50 % керосина и 50 % веретенного масла.

Металлизация

Сущность процесса металлизации (рис. 4.7) заключается в том, что металлическая электродная проволока расплавляется с помо­щью ацетилено-кислородного пламени, электрической дуги или токов высокой частоты в специальных устройствах (металлизатоpax). Этот процесс даст возможность нанесения слоя металла тол­щиной одного слоя от 0,03 до 1,5 мм на любой материал без опас­ности его перегрева. Струей воздуха расплавленный металл распы­ляется на мелкие частицы и наносится на заранее подготовленную поверхность детали (рис. 4.7). Получается довольно пористое пок­рытие, на котором хорошо удерживается смазка и, следовательно, повышается износостойкость. Прочность сцепления покрытия с основным металлом невысокая.

В процессе металлизации происходят значительные изменения физического и структурного состояния исходного металла. Темпе­ратура металлизационного слоя в процессе нанесения не превыша­ет 70—80 °С, поэтому не влияет на изменение структуры и меха­нических свойств металла детали.

Металлизация позволяет наносить покрытия до 10 мм из различ­ных металлов и сплавов на стальные, чугунные, бронзовые, дере­вянные, гипсовые и другие поверхности, в несколько слоев. Можно получить псевдопокрытия, состоящие, например, из меди и свинца, алюминия и свинца и других металлов. Металлизация не вызывает изменения структуры металла детали, поэтому прочность основа­ния наращиваемой детали не снижается. Ремонт деталей с приме­нением металлизации обходится, как правило, дешевле по сравне­нию с другими способами. Металлизационное покрытие обладает рядом ценных свойств, например, достаточно высокой износостой­костью при жидкостном и полужидкостном трении.

 

Рис. 4.7. Распылительная головка газопламенного проволочного аппарата для напыления: 1 — смесительная камера; 2 — канал подвода кислорода; 3 — проволока; 4 — направляющая втулка; 5 — канал подвода ацетилена; 6 — воздушный канал; 7— ацетилено-кислородное пламя; 8— газометаллическая струя; 9 — наплав­ляемая поверхность детали

 

 

 

Однако, несмотря на ряд преимуществ, металлизация распыле­нием имеет ряд существенных недостатков, к числу которых сле­дует отнести в первую очередь сравнительно невысокую прочность сцепления покрытия с металлом восстанавливаемой детали; труд­ности подготовки твердых поверхностей деталей к металлизации и значительные потери металла, особенно при металлизации мало­габаритных деталей.

С помощью металлизации восстанавливают изношенные мес­та под неподвижные и подвижные посадки шариковых и ролико­вых подшипников, шестерен, шкивов и других деталей. Восста­навливают шейки валов, работающих в условиях хорошей смаз­ки без вибраций и ударов. Производят заделку трещин в деталях, воспринимающих небольшую нагрузку, например, в блоках, голо­вках цилиндров и др.

Иногда металлизацию применяют для защиты поверхностей де­талей от коррозии и покрытия поверхностей, не подлежащих це­ментации (на поверхности деталей наносят слой меди).

К основным физико-механическим свойствам металлизационного покрытия относятся: структура, прочность сцепления, твер­дость и износоустойчивость.

Структура металлизационного слоя покрытия в основном зави­сит от процесса металлизации. Изменение различных характерис­тик процесса металлизации (скорости подачи проволоки и темпе­ратуры ее нагрева, давления воздушной среды) позволяет получать частицы металла размером от 0,001 до 0,4 мм. В процессе плавле­ния и распыления электродной проволоки происходит выгорание основных элементов и окисление металла. При этом выгорание уг­лерода С составляет 25—35 %; кремния Si — 25—45 %; марганца Мп - 35- 38 %; серы S — 25—26 %, что приводит к изменению химического состава металла покрытия.

Металлические расплавленные частицы в струе воздуха перено­сятся со скоростью 150- 250 м/с и достигают примерно за 0,003 с поверхности детали. При такой высокой скорости и весьма малом времени полета частицы не успевают охладиться и осаживаются на поверхность в пластическом состоянии. Ударяясь о заранее под­готовленную шероховатую поверхность, частицы деформируются и заклиниваются, механически сцепляясь между собой и повер­хностью детали. Охлаждение частиц различных размеров воздуш­ной струей приводит к местной неоднородности структуры металлизационного слоя.

Твердость металлизационного покрытия выше твердости исход­ного материала благодаря быстрому охлаждению и появлению на­клепа. Наибольшая твердость (HRC 64) получается при примене­нии электродной проволоки с содержанием углерода 0,7 %. При этом оптимальное расстояние от головки металлизатора до детали составляет 100—125 мм при давлении воздуха 5—6 кгс/см².

Износостойкость металлизационного слоя определяется особен­ностями структуры и свойств покрытия. Металлизационное пок­рытие неоднородно по структуре и обладает хрупкостью, поэто­му износостойкость его в условиях сухого трения весьма низкая. При жидкостном и граничном трении металлизационные покры­тия имеют высокую износостойкость, что достигается благодаря пористости металлизационного слоя, в котором хорошо удержи­вается смазка. Металлизационные покрытия легко деформируют­ся и быстро прирабатываются, чем выгодно отличаются от других видов металлопокрытий.

Перед нанесением металлизационного покрытия поверхность де­тали очищают от грязи, жиров, окислов и ржавчины, восстанавли­вают правильную геометрическую форму детали и придают повы­шенную шероховатость поверхности для лучшего сцепления метал­лизационного слоя с основным металлом, а также изолируют мес­та детали, не подлежащие металлизации.

Детали от грязи и жиров очищают в моечных машинах; окис­лы и ржавчину снимают механическими щетками, пескоструйны­ми (дробеструйными) установками или вываркой в ваннах с водя­ной вытяжкой суперфосфата, подогретой до температуры 95—98 °С.

Правильную геометрическую форму детали придают механичес­кой обработкой поверхности. При этом размеры детали уменьша­ют с таким расчетом, чтобы после металлизации и обработки под необходимый размер высота металлизационного слоя оставалась не менее 0,5 мм.

Шероховатую поверхность детали можно получить, используя механические, электрические и химические способы. Из механи­ческих способов наибольшее распространение получили пескоструйная обработка и нарезание рваной или круглой резьбы. При пескоструйной обработке деталь помещают в пескоструйную ка­меру или шкаф. При помощи пескоструйного пистолета на деталь направляют струю сжатого воздуха под давлением 5—6 кгс/см² в смеси с сухим песком (размер зерен 1,5—2 мм). Удары зерен пес­ка о деталь придают ее поверхности шероховатость.

Наибольшее распространение для деталей с твердостью до НВ 300—350 нашел способ нарезания рваной и круглой резьбы, а также накатка поверхности рифлеными роликами. Нарезку рва­ной и круглой резьбы на поверхность детали производят после предварительного протачивания. Для нарезания резьбы применя­ют резец с углом при вершине 55—60° и небольшим закруглением острия вершины. Резец устанавливают с большим вылетом (100— 150 мм) и смещают вершину от центра вращения детали вниз на 2—6 мм. Резьбу нарезают шагом 0,8—1 мм и глубиной 0,5—0,8 мм.

Рваная резьба обеспечивает высокое сцепление металлизационного слоя с основным металлом, однако резко снижает уста­лостную прочность детали. Наиболее практично применять круг­лую резьбу, которую нарезают специальным пластинчатым резцом шириной 1,2 мм, имеющим радиус закругления вершины 0,6 мм. Шаг резьбы принимают равным 1,6—1,8 мм при глубине нарезки 0,6 мм. После нарезания резьбы гребни приплющивают гладким роликом, и они получают форму ласточкина хвоста.

Термически обработанные поверхности деталей твердостью вы­ше НВ350 подготавливают под металлизацию электроискровой обра­боткой на установке для электроискрового упрочнения. На поверх­ность наносится шероховатый слой металла толщиной 0,1—0,15 мм.

Химический способ подготовки заключается в травлении по­верхности водным раствором соляной кислоты. Поверхности де­талей, не подлежащие металлизации, предохраняют пергаментной бумагой, картоном, асбестом, листовой сталью; пазы и отверстия закрывают деревянными пробками.

Металлизационное покрытие наносят с помощью электродуговых, газовых и высокочастотных металлизаторов. Установка для электродуговой металлизации состоит из электрометаллизатора с катушками для проволоки, источника переменного или постоян­ного тока с контрольными приборами, компрессора с воздухосбор­ником и водомаслоотделителем, а также вентиляционной кабины, в которой установлен токариый станок, используемый для враще­ния детали и продольною перемещения электрометаллизатора, ус­тановленного на суппорте.

Схема работы распылительной головки электрометаллизатора выглядит следующим образом. Электродная проволока с помощью рифленых роликов подастся в наконечник. Привод роликов осу­ществляется воздушной турбиной или электродвигателем. К нако­нечникам присоединены провода, по которым подается электри­ческий ток. Наконечники между собой и воздухопроводом изоли­рованы прокладкой. С помощью наконечников обе электродные проволоки направляются навстречу друг другу. При подаче элек­трического тока между концами электродной проволоки возника­ет электрическая дуга. По трубке подается сжатый воздух, с помо­щью которого расплавленный металл распыляется и наносится на подготовленную поверхность детали.

Наибольшее применение находят следующие пистолеты-электрометаллизаторы: ЭМ-ЗА, ЭМ-6, ЛК-У, ЛК-6А. Пистолеты ЭМ-ЗА и ЛК-У универсальные и могут быть использованы как для работы вручную, так и для установки на токарном станке. Писто­леты ЛК-6А и ЭМ-6 станочные, их применяют только при рабо­те на токарном станке.

Установка для газовой металлизации состоит из следующих уз­лов оборудования: газового металлизатора; токарного станка для вращения детали, подлежащей металлизации, и продольного пе­ремещения газового металл и затора, закрепленного на суппорте; вытяжной камеры для отсоса металлической пыли; расходомеров для учета расхода газа, кислорода и воздуха; баллонов для газа и кислорода; воздухосборника; водомаслоотделителя и компрессора.

В качестве горючего газа наиболее часто используется ацетилен. Имеются также установки, позволяющие применять газы, являю­щиеся заменителями ацетилена: пропан-бутан, нефтегаз и другие, близкие по калорийности ацетилену.

Для применения в ремонтном деле промышленность выпуска­ет газовый металлизатор ГИМ-1, работающий на ацетилене, полу­чаемом от газогенераторов низкого давления. Металлизатор рабо­тает при давлении воздуха 4,5 кгс/см² и расходе 0,6—0,8 м³/мин. Производительность при распылении стали от 0,8 до 1 кг/ч. При­меняемая проволока имеет диаметр 1—2 мм.

Установка, работающая на токах высокой частоты, состоит из лампового высокочастотного генератора мощностью 30—60 кВт, частотой тока 70—500 кГц; металлизатора, устанавливаемого на суппорте токарного станка; вытяжной камеры; катушки для элек­тродной проволоки; компрессора производительностью 1 м3/мин и водомаслоотделителя.

Распылительная головка высокочастотного металлизатора ра­ботает следующим образом. С помощью рифленых роликов, при­водимых в движение пневматической турбинкой или электродви­гателем, электродная проволока подается в направляющую втул­ку. Ток высокой частоты 70—500 МГц подводится коаксиальным кабелем к индуктору, состоящему из 4—6 витков медной трубки, через которую подается вода для охлаждения. В индукторе и вкла­дыше образуется высокочастотное электромагнитное поле, которое индуктирует с электродной проволокой, создавая в ней вихревые токи, которые расплавляют электродную проволоку. Расплавлен­ный металл распыляется воздушной струей и наносится на подго­товленную поверхность детали. Для охлаждения головки металли­затора вкладыш снабжен водяной рубашкой.

Наибольшее распространение получил высокочастотный металлизатор ВМЧ-3, устанавливаемый на суппорте токарного станка.

Технологический процесс восстановления деталей металлиза­цией заключается в правильном выборе режимов работы аппара­тов и режимов обработки деталей после металлизации тем или дру­гим способом.

Так, при газовой металлизации расстояние от сопла до пок­рываемой поверхности детали рекомендуется выдерживать 120— 200 мм при производительности аппаратов 1—2,5 кг стали в час и от 200 до 300 мм при производительности аппаратов 5—20 кг ста­ли в час. При регулировке скорости подачи проволоки необходи­мо, чтобы место ее расплавления совпадало с выходным сечением распылительной головки. При работе стальной электродной про­волокой газовое пламя рекомендуется выдерживать нейтральным. Давление кислорода колеблется в пределах 2,5—5 кгс/см², горюче­го газа — 0,6—1,2 кгс/см² и воздуха — 2,5—6 кгс/см².

При электродуговой металлизации расстояние от сопла до на­носимой поверхности составляет 100—120 мм, давление возду­ха 4,5—6,0 кгс/см² и напряжение на дуге 29—31 В. Режимы высокочастотной металлизации характеризуются следующими пара­метрами: расстояние от сопла металлизатора до поверхности вос­станавливаемой детали 100—125 мм, давление сжатого воздуха 3,5—5 кгс/см².

После окончания металлизации рекомендуется восстановленные детали погрузить в подогретое до температуры 60 °С минеральное масло и выдержать в нем не менее 6 часов. Это необходимо делать для улучшения последующей механической обработки.

При токарной обработке металлизированных стальных деталей рекомендуются следующие режимы: скорость резания 20—40 м/мин, подача 0,2—0,4 мм/об, глубина резания 0,2—0,5 мм. Обработка по­верхности ведется с охлаждением эмульсией. При необходимости последующего шлифования следует оставлять припуск 0,2—0,4 мм в зависимости от размеров детали. Шлифовать рекомендуется при обильной подаче эмульсии по следующему режиму: окружная ско­рость шлифовального камня 20—30 м/с; скорость вращения дета­ли 15—30 м/мин; глубина резания 0,02—0,04 мм; продольную по­дачу выбирают равной 0,2—0,3 ширины круга на оборот детали. Хорошее качество поверхности получается при применении шли­фовальных кругов из электрокорунда.

После механической обработки детали, работающие со смаз­кой, следует пропитать подогретым минеральным маслом в тече­ние 6—24 ч.

 

Плазменное напыление

Основными отличиями плазменной металлизации от других спо­собов расплавления являются более высокая температура и боль­шая мощность, что обеспечивает значительное повышение про­изводительности процесса и возможность наносить и расплавлять любые жаростойкие и износостойкие материалы (рис. 4.8). Для плазменного напыления используют газы аргон и азот, обеспечи­вающие температуру струи. Для плазменной металлизации широ­ко применяют установки УПУ и УМН, в комплект которых вхо­дят вращатель, защитная камера, дозатор порошка, источник пи­тания и пульт управления.

Основной частью установки служит плазмотрон, срок службы которого определяется стойкостью сопла. Период работы плазмотрона невелик, поэтому его быстроизнашивающиеся части де лают сменными. Источниками тока являются сварочные генера­торы ПСО-500 или выпрямители И ПН-160/600.

 

 

Рис. 4.8. Схема процесса плазменно­го напыления:

1 — порошковый дозатор; 2 — ка­тод; 3 — изоляционная прокладка; 4 — анод; 5 — транспортирующий газ; 6 — охлаждающая жидкость; 7 — плазмообразующий газ

В качестве плазмообразую­щего газа используют аргон или менее дефицитный и дешевый азот. Однако зажечь дугу в сре­де на азоте сложнее и требуется значительно большее напряже­ние, что представляет опасность для обслуживающего персонала. Применяют способ, при кото­ром зажигают дугу в среде арго­на с напряжением возбуждения и горения дуги меньше, а затем переходят на азот. Плазмообра­зующий газ ионизуется и выхо­дит из сопла плазмотрона в виде струи небольшого сечения. Обжа­тию способствуют стенки канала сопла и электромагнитное поле, возникающее вокруг струи. Тем­пература плазменной струи зависит от силы тока, вида и расхода газа и изменяется от 10000 до 30 000 °С; скорость истечения газов 100—1500 м/с. Аргонная плазма имеет температуру 15 000—30 000 °С, азотная — 10000—15000 °С.

При плазменной металлизации в качестве наносимого материа­ла применяют гранулированный порошок с размером частиц 50— 200 мкм. Порошок подается в зону дуги транспортирующим газом (азотом), расплавляется и переносится на деталь. Скорость полета частиц порошка 150—200 м/с, расстояние от сопла до поверхнос­ти детали 50—80 мм. Благодаря более высокой температуре нано­симого материала и большей скорости полета распыляемых час­тиц прочность соединения покрытия с деталью в этом методе вы­ше, чем при других способах металлизации.

Плазменная металлизация, происходящая при высокой тем­пературе плазменной струи, позволяет наносить любые матери-

алы, в том числе самые износостойкие, но при этом возникает проблема последующей обработки сверхтвердых и износостойких материалов.

Использование импульсного лазерного излучения, длительность которого составляет миллисекунды, позволяет получать минималь­ные зоны термического влияния, которые не превышают несколь­ких десятков микрон. Минимальные объемы расплава и минималь­ные тепловложения в подвариваемую деталь позволяют сократить продольные и поперечные деформации и тем самым сохранить прецизионные размеры детали в поле допуска — несколько мик­рон. Точность наведения и локальность действия луча лазера поз­воляет подваривать строго определенные геометрические участки детали, обеспечивая минимальный припуск на механическую об­работку, который составляет 0,2—0,5 мм. Так как при импульсной лазерной наплавке зоны термического влияния очень малы, под­ложка остается практически холодной, а скорость охлаждения жид­кой фазы расплава металла достигает 102—103 °С/с. В этих усло­виях имеет место процесс автозакалки, который приводит к фор­мированию чрезвычайно мелкодисперсной структуры, обладающей повышенной износостойкостью.

При сравнении практически все принципиальные технические различия технологии электродуговой наплавки и импульсной ла­зерной наплавки являются следствием того, что дуга является кон­центрированным сварочным источником энергии, а луч лазера — высококонцентрированным источником энергии. Импульсная ла­зерная наплавка по сравнению с электродуговой наплавкой характе­ризуется минимальными объемами расплава, зонами термического влияния и соответственно существенно меньшими поперечными и продольными усадками.

После электродуговой наплавки припуски могут достигать не­скольких миллиметров, что вызывает необходимость последую­щей механической обработки. Использование в качестве источни­ка энергии электрической дуги сопровождается ее силовым дейст­вием на жидкую фазу расплава металла, в результате образуются подрезы, которые не возникают при лазерной наплавке. Электродуговая наплавка требует предварительного и сопутствующего» подогрева мест наплавки и последующей термообработки и «и тип от лазерной наплавки.

Технология лазерной наплавки может быть использована для восстановления изношенных пресс-форм, штампов и устранения различных дефектов, образующихся в процессе изготовления пресс- форм и штампов. Виды дефектов, устраняемые с помощью лазер­ной наплавки: места пробы на твердость HRC, трещины, забоины, задиры, раковины и поры, разгарные трещины, места адгезионного схватывания. Технологический процесс лазерной наплавки пред­ставляет собой одновременный подвод к месту дефекта лазерного излучения и присадочной проволоки в среде инертных газов. При­садочный материал, расплавляясь, заполняет место дефекта. После лазерной наплавки требуется минимальная по сравнению с тради­ционными методами наплавки механическая обработка. Высокая точность наведения лазерного луча на место дефекта, локальность действия лазерного излучения позволяет наплавлять строго опре­деленные участки дефектных деталей (рис. 4.9).

 

Кратковременность протекания процесса, длительность импуль­са лазерного излучения, составляющая несколько миллисекунд, а также точная дозировка энергии обеспечивают минимальные зоны термического влияния и отсутствие поводок детали. Лазерная на­плавка позволяет значительно снизить трудоемкость ремонта ос­настки и, как следствие, себестоимость за счет исключения из про­цесса предварительного подогрева, последующей термообработки, необходимости снятия хромистого покрытия с поверхности и пос­ледующего его нанесения, если де­таль хромированная. Преимущес­тва лазерной наплавки указаны в табл. 4.2.

Для предотвращения окисления расплавленного металла зону на­плавки защищают инертными га­зами, например, смесью аргона с гелием. Для наплавки крупногаба­ритных узлов (длиной до несколь­ких метров) используют твердо­тельные лазерные установки, ос­нащенные оптоволоконными сис­темами. Разработана технология устранения дефектов в виде горячих и холодных несквозных трещин, образующихся при электродуговой сварке штучными электродами, с использованием импульсного лазерного излучения твердотельных лазеров.

Заварка нескольких трещин с использованием импульсного лазерного излучения позволяет реализовать так называемый «холодный» режим сварки, при котором не происходит разогрев сварного шва ремонтируемой зоны, что позволяет сохранить механическую прочность сварного соединения и избежать отпуска металла в шве.

Использование оптоволоконной системы длиной несколько мет­ров позволяет производить ремонт в самых труднодоступных по гео­метрии местах. Данную технологию можно использовать для уст­ранения различных дефектов, образующихся при электродуговой сварке, — трещин, как холодных, так и горячих, раковин, крате­ров, свищей, подрезов.

По характеру и условиям работы боковая поверхность лопа­ток турбин высокого давления подвергается микроповреждени­ям механического, химического и термического влияния. Анализ повреждаемости показывает, что около 70 % от их общего чис­ла составляют детали с поверхностными дефектами глубиной до 0,4—2,0 мм. Использование оптоволоконных систем доставки лу­ча лазера к месту дефекта открывает возможность ремонта лопат­ки турбины без ее демонтажа. Величина зоны термического влия ния не превышает 15 мкм. Структура наплавленного слоя мелко­дисперсная.

 

Рис. 4.10. Дефект лопатки турбинного колеса турбокомпрессора, устраненный по технологии импульсной лазерной наплавки

 

Рис. 4.11. Поперечное сечение в месте непропая трубки секции холодильника

Рис. 4.12. Шлиф места дефекта, обработанного в режиме сварки-пайки

В процессе изготовления водяных секций могут возникать де­фекты в виде непропаев. Разработана технология устранения негерметичности секций методом импульсной лазерной пайки-свар­ки (рис. 4.11 и 4.12).

Для устранения негерметичности паяного шва используется им­пульсное лазерное излучение твердотельного лазера. Встроенная в излучатель лазера телевизионная система с использованием целе­указания на основе Не — Ne (гелий — неон) лазера позволяет точ­но наводить луч лазера на место дефекта. Оснащение лазера опто­волоконной системой позволяет производить устранение дефектов в труднодоступных местах и производить быстрый переход с одно­го дефекта на другой.