litceysel.ru 1

Влияние скорости и температуры частиц напыляемого материала на получение покрытий газоплазменным напылением порошков



А.С. Гордеев, д-р техн. наук, профессор;
А.Г. Басова
, аспирантка,


Украинская инженерно-педагогическая академия, г. Харьков


ВВЕДЕНИЕ

Основными факторами, которые определяют динамические и вибрационные нагрузки в печатной машине, является несбалансированность офсетных и формных цилиндров, вибрация зубчатых передач, пространственные отклонения посадочных отверстий. Поэтому точность изготовления печатных секций приобретает особо важное значение. Однако их изготовление и ремонт при существующих технологиях – очень трудоемкий и сложный процесс, требующий больших затрат труда и средств.

Эффективное повышение качества при ремонте цилиндров печатной машины с использованием существующих технологических процессов практически невозможно. Необходимы принципиально новые технологические процессы. К ним, прежде всего, следует отнести применение газотермического нанесения покрытий, позволяющее получать высокую точность и чистоту поверхности цилиндров без механической обработки.

Преимущества газоплазменного напыления состоят в высокой производительности процесса, локальности обработки, незначительном влиянии на подложку, возможности нанесения покрытий на изделия больших размеров, отсутствии ограничений на сочетания материалов покрытия и подложки, что позволяет охватить большую номенклатуру восстановления изношенных деталей.

К основным факторам, влияющим на прочность сцепления покрытия с основой, относятся: способ подготовки поверхности и используемый при этом абразивный материал, параметры струйной обработки поверхности, время выдержки после обработки, наличие предварительного подогрева, применение подслоя и использование термореагирующих порошков, способ распыления, эффективная мощность пламени, параметры процесса распыления, состав материала покрытия (наличие поверхностно-активных добавок в покрытии зависит от применяемого оборудования и от присадочных материалов) [2].


Напыление состоит в образовании покрытия путем динамического осаждения на основном материале расправленных или оплавленных капель или частиц напыляемого материала, образующихся при нагреве порошка. Разнообразие способов напыления обеспечивает получение покрытий, значительно отличающихся по своим свойствам.

Для понимания процессов, происходящих при напылении, необходимо изучить особенности нагрева частиц напыляемого материала, их движения от сопла горелки до основы, условия соударения с ней, структуру переходной зоны между покрытием и основным материалом и связи между напыленными частицами. На эти процессы оказывают влияние следующие факторы: метод и технология напыления; размеры и форма частиц напыляемого порошка; плотность, удельная теплоемкость, теплопроводность напыляемых материалов, степень их расплавления (оплавления); химические реакции при высоких температурах между частицами напыляемых материалов и между частицами и окружающей средой, их химическая активность по отношению к материалу основы и др.

Отдельные аспекты теории напыления рассматривались в работах отечественных и зарубежных ученых. Среди них, прежде всего, можно выделить работы Молодык Н.В., Зенкина А.С., Шестакова А.И.,
Катц Н.В., Беленова А.С., Питера Ф., Пузрякова А.Ф., Беграмбекова Л.Б., Балдаева Л.Х., Карабасова Ю.С., Хасуи А., Моригаки О., Кудинова В.В., Борисова Ю.С., Харламова Ю.А., Кардонина Н.И., Лялякин В.П. и др. Однако научные труды, посвященные восстановлению и защите деталей от износа и коррозии методом газотермического напыления покрытий в полиграфической промышленности практически отсутствуют.

Целью работы является определение технологических параметров газоплазменного напыления при ремонте полиграфического оборудования.


ОСНОВНОЙ МАТЕРИАЛ ИССЛЕДОВАНИЯ

При газоплазменном напылении порошком используют порошковые напыляемые материалы. Порошковые материалы при движении в высокотемпературном потоке газа, истекающего с большой скоростью из горелок, напыляются на поверхность основного материала без изменения формы. При соударении напыляемых частиц с поверхностью основы частицы сцепляются с неровностями поверхности. Это возможно только при определенных скоростях и температуре капель и частиц.


Скорость частиц. При газоплазменном напылении порошком перенос частиц с оплавляемого конца сопла на поверхность изделия производится струей сжатого воздуха, скорость их соударения с поверхностью имеет большое значение.

При газоплазменном напылении частицы материала имеют разные размеры. Проведенные исследования показали, чем частицы мельче, тем они легче разгоняются газовой струей, а при снижении скорости струи частицы резко снижают свою скорость. На рис. 1 показаны кривые распределения скорости частиц в направлении удаления от среза сопла при газоплазменном напылении порошкового алюминия и сталью.





Рисунок 1 – Распределение скорости v полета частиц алюминия и стали при газоплазменном напылении порошков:

1 – алюминий, 2 – сталь


В последнее время в связи с применением более мощного оборудования для газоплазменного напыления значительно возросла скорость плазменной струи и соответственно достигнуто радикальное повышение скорости частиц при напылении.

Размер частиц напыляемого порошка. Предполагая, что частица порошка сферическая и температура ее поверхности мгновенно достигает температуры плавления, можно определить наибольший размер частиц, при котором происходит полное ее расплавление. Если допустить, что в плазменной струе, температура которой значительно превышает температуру плавления порошка, частицы порошка находятся в течение 0,1 мс, то каждая частица оплавляется на глубину 90% ее радиуса, т.е. почти до ее середины. Это означает, что порошок расплавляется почти полностью. В связи с этим возникает вопрос о размере частиц dmax порошка, при котором он почти полностью расплавляется. Этот размер частиц зависит от теплофизических характеристик порошка, включая теплопроводность, теплоемкость и плотность напыляемого материала. Чем больше значение dmax, тем лучше протекает процесс напыления порошком.


Для плазменного напыления обычно применяют порошок размером частиц 74—44 мкм. При использовании порошка с меньшим размером частиц практически все частицы в процессе напыления полностью расплавляются.

Напыление материала с использованием более мелкой фракции порошка обеспечивает получение плотного, более качественного покрытия. По мере уменьшения фракции порошка структура покрытия становится более плотной с меньшей пористостью. Уменьшение фракции порошкового напыляемого материала сопровождается повышением прочности сцепления покрытия с подложкой (рис. 2).





Рисунок 2 – Влияние размера частиц d порошка напыляемого материала на прочность сцепления с подложкой


При таком способе напыления поверхность основного материала располагают обычно на расстоянии не менее 100 мм от среза сопла горелки. Покрытие образуется из отдельных расплавленных или близких к этому состоянию частиц, которые с высокой скоростью соударяются и наслаиваются на поверхность основы. Прочность сцепления покрытия с основным материалом обеспечивается за счет механического сцепления: скорости соударения и размера капель частиц напыляемого порошка (рис. 3).




Рисунок 3 – Распределение скорости полета v и размера частиц d порошка напыляемого материала на прочность сцепления с подложкой


ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненных исследований установлено, что для восстановления поврежденных деталей полиграфических машин целесообразным является способ газоплазменного нанесения порошковых материалов при следующих режимах: скорость полета частиц стального порошка в диапазоне v = 140-180 м/с; размер частиц напыляемого порошка стали в диапазоне d = 5-20 мкм.

SUMMARY

Gas-plasma spray powder is used at spraying powder materials. Powder materials at movement in a high-temperature stream of the gas expiring with a great speed from torches, are spraying on the basic material`s surface without form change. At particles-impact spraying with a basic surface the particles are linked to roughnesses of a coating. It is possible only at certain speeds and temperature of drops and particles.


СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


  1. Борисов Ю.С. Газотермические покрытия из порошковых материалов / Ю.С. Борисов, Ю.А. Харламов, Ю.А. Сидоренко, Е.Н. Ардатовская.– Киев: Наук. думка, 1987.– 544 с.

  2. Кудинов В.В. Плазменные покрытия / В.В. Кудинов. – М.: Наука, 1977. – 184 с.

  3. Восстановление деталей машин: справочник / Н.В. Молодык, А.С. Зенкин. – М.: Машиностроение, 1989. – 480 с.

  4. Пантелеенко Ф.И. Восстановление деталей машин: справочник / Ф.И. Пантелеенко, В.П. Лялякин, В.П. Иванов, М. Константинов. – М.: Машиностроение, 2003. – 672 с.

  5. Хосуи А., Моригаки О. Наплавка и напыление / пер. с яп. В.Н. Попова; под ред.
    В.С. Степина, Н.Г. Шестеркина. – М.: Машиностроение, 1985. – 240 с.