К расчету параметров холодного газодинамического напыления деталей машин с использованием установки Димет-405

Модернизация сельскохозяйственного производства подразумевает не только приобретение и поэтапный переход к новому машинно-тракторному парку и средствам производства, но и освоение современных и экономически оправданных технологий ремонта и обслуживания этой техники. При эксплуатации сельскохозяйственных машин и оборудования неизбежно возникают проблемы механического и химического

(коррозионного) износа деталей и также необходимость замены или ремонта поврежденной или изношенной детали. Ввиду стоимости и сроков поставки новой детали выбор делается зачастую в пользу ремонта. Одним из ведущих направлений повышения эффективности ремонтно-обслуживающего производства является его переоснащение современным технологическим оборудованием, внедрение передовых технологических процессов и достижений современной науки. Обнинским центром порошкового напыления разработано и производится оборудование ДИМЕТ для нанесения покрытий из цветных металлов. В оборудовании реализован газодинамический способ формирования металлических покрытий, заключающийся в том, что при создании напыленного слоя используется только кинетическая энергия твердых частиц. Восстановление деталей сельскохозяйственных машин и оборудования на основе технологии холодного газодинамического напыления представляется одним из таких инновационных направлений исследования [10].

Постановка задачи

При соударении металлических частиц с поверхностью подложки происходят их пластическая деформация и образование химических связей в пятне контакта. Последующие удары частиц по закрепившимся на поверхности частицам металла дополнительно деформируют их, уплотняя тем самым покрытие, уменьшая его пористость и увеличивая когезионную прочность. Удары металлических частиц и их закрепление приводят к формированию последующих слоев покрытия [5].

В результате получается покрытие, которое представляет собой композитный материал, состоящий из металлической матрицы и включенных в нее отдельных более твердых, чем металл матрицы, частиц.

Пористость газодинамических покрытий, определяемая как процентное отношение объема пустот в покрытии к общему объему покрытия, может изменяться в достаточно широких пределах. Измерения показали, что пористость газодинамических покрытий составляет 3...7 %, что существенно меньше пористости покрытий, получаемых дуговой металлизацией, и сравнима с пористостью детонационных покрытий [5].

Толщина покрытий определяется техническими требованиями к покрытию и технологическим режимом нанесения. Покрытия могут обрабатываться всеми известными способами механической обработки - сверление, строгание, фрезерование, токарная обработка, шлифовка, полировка и т.п.

Оборудование серии ДИМЕТ предназначено для нанесения алюминиевых, медных, цинковых, никелевых и баббитовых покрытий, оно не имеет аналогов в России и за рубежом.

Технология холодного газодинамического напыления (ХГДН) успешно применяется для восстановления повреждений, связанных с нарушением герметичности (радиаторы, картеры и пр.) [1, 2]. Применение технологии ХГДН для восстановления деталей сельскохозяйственных машин очень ограничено ввиду недостаточности исследований в этой области знаний. Поэтому одной из приоритетных задач является расширение области применения данной технологии восстановления деталей сельхозтехники, в том числе изготовленных из железоуглеродистых сплавов.

В связи с этим задачей данной работы является определение возможности использования технологии холодного газодинамического напыления, изначально рассчитанной на работу с порошками цветных металлов, для восстановления стальных деталей путем разгона частиц порошка на основе железа до таких скоростей, при которых частица расплавится при переходе сообщенной кинетической энергии во внутреннюю во время соударения с неподвижной подложкой детали. Объектом исследования в данном случае является процесс холодного газодинамического напыления на установке ДИМЕТ-405.

Результаты и обсуждение

Качество напыления определяется по следующим параметрам: микротвердость, адгезия, когезия и пористость [2]. Для теплонагруженных стальных деталей также выдвигается требование, чтобы напыленный участок имел коэффициент теплового расширения максимально близкий к таковому у материала подложки во избежание отрыва напыленного слоя при знакопеременных тепловых нагрузках.

Композитные порошки на основе алюминиевой пудры могут отвечать в той или иной степени требованиям по прочности за счет своего состава, в котором, как правило, присутствует армирующий компонент, например корунд Al 2 O 3 [7, 9].

Тепловое же расширение у напыленного композитного слоя [6] и у подложки, материалом которой в 90 % случаев является сталь, будет отличаться, что делает невозможным применение существующей технологии ХГДН для восстановления теплонагруженных стальных деталей. Решение этого вопроса можно осуществить напылением порошков на основе железа, имеющих близкий коэффициент теплового расширения с материалом детали [4]. Возможность использования порошков на основе железа необходимо оценивать с точки зрения понимания процесса образования покрытия при ХГДН.

Холодное газодинамическое напыление – технология, основанная на эффекте закрепления твердых частиц при соударении с поверхностью и образовании покрытия при разгоне частиц до сверхзвуковых скоростей, составляющих 600-1200 м/с на выходе из сопла. При разгоне частица порошка приобретает кинетическую энергию, переходящую при соударении с подложкой во внутреннюю, т.е. тепло, благодаря которому частица расплавляется и закрепляется на поверхности [4]. Такую скорость частиц обеспечивает установка «ДИМЕТ», рассчитанная на работу с порошками цветных металлов [8]. Теоретические предположения разгона частиц порошка на основе железа с использованием этой установки приведены ниже.

Параметры, влияющие на скорость напыления:

• -    температура нагрева газа t, ºC

• -    давление газа на входе в установку p , MPa

• -    расход порошка, кг/ч.

Управляемые переменные:

• -    температура транспортирующего газа и, как следствие, температура частиц напыляемого порошка Т, °C.

Неуправляемые переменные:

• -    температура плавления металла порошка Т плав ;

• -    масса частицы порошка m , кг;

• -    удельная теплоемкость металла порошка с, Дж/кг ^оС .

Из закона сохранения энергии для неупругого удара следует:

Ек 1 = Ек 2 + Q ,                            (1)

где Ек 1 — кинетическая энергия частицы;

Ек 1 = —,                              (2)

где m – масса частицы порошка, кг;

v - скорость частицы, м/с;

Q – общее кол-во теплоты, Дж;

Ек 2 - кинетическая энергия системы после соударения частицы порошка о подложку;

Ек 2 = 0 , так как напыляемая деталь никуда не двигается и ее скорость равна 0.

Отсюда следует, что кинетическая энергия частицы полностью переходит в тепло.

Ек 1 = Q.                                 (3)

В данном случае общее количество теплоты Q - это количество теплоты, необходимое для нагрева частицы порошка до температуры плавления Т_плав. Для алюминия Т_плав = 660 ° C, для железа 1539 ° C.

Q = с-т •(Т плав -Т о ) ,                             (4)

где с - удельная теплоемкость металла порошка, Дж/кг °C.

Для алюминия с = 920 Дж/кг °C.

Для железа с = 460 Дж/кг °C.

Уравнение баланса энергии примет вид:

^ = С ^ (^ав — То), где Т0 – начальная температура, Т0 ≈100ºC [2].

Разделив обе части уравнения на переменную m, получим:

• V ²

у = с^Т.(6)

Отсюда v = 72сДТ.

Подставим значения теплоемкости для порошка на основе алюминия и железа в формулу (7), находим скорость частицы в момент соударения.

v_Al = 72^920^560 = 1015,1м/с;

v_Fe = 72^460 • 1439 = 1150,6 м/с.

Таким образом, разница скоростей частиц порошка алюминия и железа для их расплавления при соударении о подложку составляет около 13 %, и располагается в диапазоне скоростей, создаваемом установкой ДИМЕТ-5 [2, 8].

Вывод

Полученные результаты свидетельствуют о том, что с помощью установки ДИМЕТ-5 частицу порошка на основе железа можно разогнать до скорости, при которой она расплавится при ударе о препятствие. Это позволяет выдвинуть предположение о возможности применения установки ДИМЕТ-405 для напыления порошков на основе железа при наращивании изношенных поверхностей стальных деталей. Теоретические расчеты показали, что процесс восстановления деталей унифицируется в силу того, что покрытия могут наноситься на любые металлы, из которых могут быть изготовлены детали машин. Корректировка начальной температуры процесса по железу с учетом его теплоемкости и скорости соударения с напыляемой деталью являются предметом дальнейших исследований.