Усовершенствование конструкции распылительного устройства электрометаллизатора ЭМ-17

Введение. Потери металла от износа и коррозии металлоконструкций составляют около 30 % от их массы. Для ремонта и восстановления изношенных деталей применяются методы газотермического напыления: осаждение из газовой фазы, наплавка, электродуговая металлизация (ЭДМ), а также газопламенное, детонационное и плазменное напыление [1-6]. Наиболее широкое применение при создании коррозионно-стойких покрытий получила электродуговая металлизация. Основным преимуществом метода является его высокая производительность, достигающая 50 кг/ч.

При дуговой металлизации образование потока напыляемых частиц происходит за счет плавления распыляемого материала электрической дугой. Для диспергирования расплавленного металла используют скоростной поток сжатого газа. Наибольшее распространение для напыления покрытий получила двухэлектродная схема. Распыляемый материал в виде двух проволок диаметром 1-5 мм подается в зону горения дуги механизмом подачи. Напряжение на проволоки подается от источника питания.

При соударении расплавленных частиц с поверхностью основы формируется покрытие. Соединение напыленного покрытия с основой осуществляется преимущественно за счет механического сцепления напыляемых частиц с выступами и впадинами на поверхности основы. Расплавленные частицы плотно ложатся друг на друга и, растекаясь, заполняют неровности шероховатой поверхности. Благодаря высокой температуре частиц в зоне контакта возникают участки схватывания (приваривания), и частицы прочно соединяются между собой и с основой с образованием сложной структуры покрытия.

Наряду с достоинствами имеются и недостатки метода: значительные размеры (более 100 мкм) напыляемых частиц и их невысокая скорость (50-100 м/с), большой угол распыла (40 ° -60°), низкий коэффициент использования металла (30-50 %), повышенное окисление металла и выгорание легирующих элементов. Все это сказывается на качестве наносимых покрытий (низкая прочность сцепления, значительная пористость и химическая неоднородность), что ограничивает область применения ЭДМ.

В настоящее время исследования по усовершенствованию процесса ЭДМ направлены на замену воздушного потока инертными газами [7-10], ведение процесса в камерах с общей защитой инертными газами [11-13], повышение давления в истекающей струе [13; 14], подогрев подложки [15-17]. Целью данной работы является усовершенствование конструкции сопла электродугового металлизатора ЭМ-17 и проведение экспериментальных исследований, подтверждающих ее эффективность.

Теоретическая часть. За основу работ по усовершенствованию распылительного устройства металлизатора была взята конструкция серийного металлизатора ЭМ-17, широко применяемая в промышленности в комплекте с источником КДМ-2. Для анализа факторов, влияющих на процесс распыления, была разработана и проанализирована 3D-модель металлизатора ЭМ-17 с использованием пакетов математического моделирования SolidWorks и Flow Simulation (рис. 1).

Рис. 1. Газодинамический анализ металлизатора ЭМ-17

Анализ моделирования показал, что металлизатор ЭМ-17 имеет большой угол распыла, низкую скорость выхода потока из сопла, нестабильность течения газового потока. Это связано с тем, что конструкция сопла способствует высокой турбулентности потока, что приводит к нестабильности истечения. Недостатком сопла также является то, что на образование турбулентных завихрений затрачивается значительная часть энергии струи, и ее распыляющая способность снижается.

На основе математического анализа и проведенных экспериментальных исследований различных вариантов конструкций сопел была разработана усовершенствованная конструкция распылительного устройства. С целью усиления газодинамического воздействия на периферийные области струи металла было предложено использовать кольцевое сопло со спутным, сжимающим основную струю потоком воздуха.

Использование дополнительной подачи сжимающего потока воздуха позволило повысить скоростные характеристики истечения, стабильность потока и уменьшить угол распыла.

Экспериментальная часть. Для проведения экспериментальных исследований был изготовлен образец распылительного устройства усовершенствованной конструкции.

Процесс напыления с использованием данной конструкции представлен на рис. 2. Проведены сравнительные исследования по напылению различных материалов двумя металлизаторами. В качестве подложки использовались образцы из стали Ст3 и алюминия АМг6. В качестве напыляемого материала использовалась стальная (У8) и алюминиевая (АМг6) проволоки диаметрами 1,5-3 мм.

Напыление производилось при следующих режимах:

• -    напряжение дуги U = 25-45 В;

• -    сила тока I = 400 А;

• -    скорость подачи проволоки n = 1-4 м/мин;

• -    расстояние от среза сопла до образца l = 90-110 мм;

• -    давление подачи распыляющего газа P = 0,40,6 МПа;

• -    скорость перемещения металлизатора t = 1-5 см/с.

В ходе проведенных испытаний было установлено, что угол распыла снизился с 45 °-60° до 15 °-20°. Наряду с этим произошло увеличение скоростных показателей. Истечение становится более стабильным и равномерным. Концентрация распыляемых частиц находится по оси сопла. Анализ экспериментальных исследований показывает, что введенные в конструкцию улучшения существенно сказываются на качестве наносимых покрытий.

Производительность напыления. В связи с тем, что на усовершенствованном металлизаторе был увеличен коэффициент использования материала и повышены скоростные характеристики распыляемого потока, значительно повысилась производительность. Результаты эксперимента по определению производительности представлены на рис. 3.

Результаты показывают, что при заданных силе тока ( I) и напряжении ( U) производительность при работе усовершенствованного металлизатора увеличилась в среднем на 25 %.

Металлография. Изучение микроструктуры обработанного образца проводили с помощью микроскопа Neophot 32. Увеличение микроскопа составляет от 10 до 2000 раз.

На рис. 4 представлена микроструктура покрытий, нанесенных алюминиевой проволокой (АМгб) на стальной образец (Ст3).

Нанесение покрытия осуществлялось при следующем режиме работы: U = 35 В; I = 400 А; n = 2 м/мин; l = 100 мм; P = 0,б МПа; t = 5 с. На фотографиях микрошлифов можно наблюдать влияние технологического процесса на структуру напыленного покрытия. Видно, что покрытие, полученное с помощью усовершенствованного металлизатора, является более равномерным, что способствует хорошей прочности сцепления и низкой пористости.

Прочность сцепления. Для проведения испытаний на прочность сцепления покрытие наносилось на цилиндрические стальные грибки. Изменяемыми параметрами процесса нанесения покрытия были давление потока воздуха и расстояние до образца. Для определения прочности сцепления использовали разрывную машину Ibertest Eurotest T-50.

На рис. 5 представлены графики зависимости прочности сцепления алюминиевого покрытия на стальной подложке от расстояния до образца.

Рис. 2. Процесс напыления с использованием стандартного металлизатора ЭМ-17 (слева) и усовершенствованной конструкции (справа)

Рис. 3. Сравнительный анализ производительности стандартного и усовершенствованного металлизаторов

а

Рис. 4. Микроструктура алюминиевого покрытия на стальном образце при увеличении в 400 раз: а - стандартная конструкция; б - усовершенствованная конструкция

б

Рис. 5. Зависимость прочности сцепления от расстояния до образца

Определено оптимальное расстояние от дуги до образца, равное 100 мм. При данном расстоянии наблюдается самая высокая прочность сцепления.

Также были проведены исследования по влиянию скорости потока на прочность сцепления покрытия с основой. Скорость потока регулировалась изменением давления подачи основного потока сжатого воздуха. При увеличении скорости расплавленных частиц достигается более высокая прочность сцепления. Результаты проведенных исследований представлены в табл. 1.

При подаче сжатого воздуха одинакового давления в оба устройства на усовершенствованном метал-лизаторе наблюдается увеличение скорости потока, что приводит к повышению прочности сцепления покрытия с подложкой.

Микротвердость. На приборе ПМТ-3 были проведены измерения микротвердости покрытия. На стальной образец (Ст3) было нанесено покрытие из стали (У8), а на алюминиевый образец (АМгб) бы ла нанесено покрытие из того же материала (АМгб). Результаты измерений микротвердости представлены на рис. б.

При напылении алюминиевого покрытия его твердость получается меньше, чем у основы. Это связано с тем, что покрытие получается пористым. В связи с тем, что твердость стали У8 выше, чем у стали Ст3, напыленное покрытие превосходит по твердости основу, даже несмотря на его пористость. Установлено, что покрытия, полученные с помощью усовершенствованного металлизатора, имеют более высокие значения микротвердости.

Коррозионная стойкость. Исследования на коррозионную стойкость напыляемых покрытий проводились в растворе воды с содержанием NaCl 3 %, Н₂О₂ 0,1 %. Результаты проведенных исследований представлены в табл. 2.

Видно, что на усовершенствованном металлизато-ре покрытия получаются более коррозионно-стойкие, чем на стандартном.

Таблица 1

Результаты исследования на прочность сцепления

Давление подачи основного потока, МПа	Стандартный металлизатор		Усовершенствованный металлизатор
	Скорость потока, м/с	Прочность сцепления, МПа	Скорость потока, м/с	Прочность сцепления, МПа
0,4	350	28	602	30
0,5	535	29,5	705	31,5
0,6	670	34,5	830	36

□ Образец (1)

■ Стандартный металлизатор (2)

□ Усовершенствованный металлизатор (3)

Рис. 6. Результаты измерения микротвердости покрытий

Результаты исследований на коррозионную стойкость

Таблица 2

Параметр	Стандартный металлизатор	Усовершенствованный металлизатор
Потеря массы	0,25 %	0,11 %
Корродируемая поверхность	57 %	27 %
Потеря толщины	27 %	16 %

Заключение. В работе был проанализирован стандартный металлизатор ЭМ-17 и выявлены его недостатки, такие как большой угол распыла и низкая скорость распыляемых частиц. Для улучшения процесса электродуговой металлизации и получения более качественных покрытий разработана усовершенствованная конструкция металлизатора. На этой конструкции были проведены экспериментальные исследования влияния технологических параметров на качество покрытий. Установлено, что при напылении усовершенствованным металлизатором получаются более качественные покрытия. Увеличились прочность сцепления покрытия с основой на 30 % и коррозионная стойкость на 15 %. Уменьшилась пористость покрытия на 20-30 %. Коэффициент использования материалов увеличился с 0,6 до 0,85.

Acknowledgments. This work was financially supported by the Ministry of Education of the Russian Federation, the state contract № 2.G2531.0043, 2014/211, 9.447.2014/k.