Металлизация и обработка

Под электродуговой металлизацией понимается процесс напыления расплавленного электрической дугой металла на поверхность детали. Расплавленный металл распыляют струей сжатого воздуха.

Металлизация дает возможность покрывать поверхности деталей почти из всех металлов независимо от формы поверхностей.
Толщина наносимого слоя металла может колебаться от 20-30 микрон до 6-8 мм и более.

Процесс электродуговой металлизации осуществляется с помощью специального аппарата – металлизатора. Аппарат состоит из следующих частей: механизма для протягивания проволок, механизма для подачи газа, токопроводящей сети, направляющих наконечников для проволоки.

Аппарат действует следующим образом. Две проволоки из распыляемого металла по направляющим наконечникам, к которым подведен электрический ток, непрерывно подаются к месту возбуждения электрической дуги. Возникающая между проволоками электрическая дуга расплавляет металл.

Одновременно по воздушному соплу в зону дуги поступает сжатый газ под давлением 5-6 атм. Струей сжатого газа расплавленный металл распыляется на частицы размером 0,001-0,002 мм (иногда встречаются более крупные частицы до 0,2 мм). Подхваченные струей сжатого газа частицы металла приобретают большую скорость (до 250 м/сек) и, ударяясь о поверхность детали, соединяются с ней.

Существует много теорий о соединении частиц между собой и с поверхностью детали. Одной из наиболее приемлемых является теория, согласно которой считается, что соединение частиц между собой носит механический характер. В соответствии с этой теорией соединение частиц между собой и с поверхностью детали можно представить следующим образом. Расплавленные мелкие частицы металла, пролетая расстояние от места плавления до детали, успевают несколько остыть и из жидкого состояния переходят в твердое. Твердые частицы при ударе о поверхность детали расплющиваются и задерживаются, в ее микро- и макронеровностях. При ударе о поверхность шарообразная частица принимает форму диска с разорванными краями, которые переплетаются, прочно соединяя частицы между собой.

С увеличением скорости частиц, а следовательно, с увеличением силы удара, сцепление частиц с поверхностью и между собой увеличивается.

Для хорошего сцепления распыленных частиц с деталью последняя должна иметь шероховатую поверхность. Шероховатости должны быть достаточной ширины, чтобы частицы средних размеров могли войти в углубления, не образуя мостиков над ними.

Многочисленные испытания показали, что при сухом трении металлизированный слой работает на истирание, как правило, значительно хуже, чем основной металл. В условиях жидкостного и полужидкостного трения металлизированный слой работает удовлетворительно.

Наиболее важное значение имеет металлизация при восстановлении шеек коленчатых валов, вышедших за пределы ремонтных размеров. Металлизация применяется также для восстановления шеек распределительных валов, полуосей, поворотных кулаков колесных тракторов, наращивания наружных поверхностей втулок, верхних головок шатунов и т. п.

Металлизацию используют для нанесения на вкладыши и подшипники антифрикционного слоя свинца и алюминия, цинка и алюминия или бронзы.

Металлизацией нельзя восстанавливать детали, подвергающиеся ударным нагрузкам (кулачки распределительных валов, зубья шестерен и т.д.), а также небольшие поверхности и грани, несущие значительные нагрузки (резьба, канавки под поршневые кольца и т.д.).

Восстановление деталей с помощью электродуговой металлизации состоит из следующих операций:

1. подготовки поверхности деталей;
2. металлизации деталей;
3. обработки детали после металлизации.

Подготовка поверхности деталей к металлизации. Детали, подвергающиеся металлизации, предварительно тщательно обезжиривают в 10%-ном растворе щелочи NaOH или соды Na₂CO₃, нагретом до температуры 70-80°. После этого детали промывают в горячей воде и сушат. Для лучшего сцепления с наносимым слоем металла поверхность детали делают шероховатой. Распространенными способами получения шероховатой поверхности детали являются: обработка дробью, прямозубая накатка, пескоструйная обдувка, треугольная нарезка с последующей обдувкой дробью, электроискровая обработка, насечка зубилом, нарезка закругленным резцом, треугольная нарезка, электродуговая обработка с подачей струи сжатого воздуха к дуге, нарезка кольцевых канавок.

Обработка дробью выполняется в дробеструйной установке чугунной дробью диаметром 0,4-0,5 мм.

Прямозубую накатку получают с помощью накатки с прямым зубом. Шаг накатки 0,8 мм; скорость вращения детали 150 об/мин. При накатке на поверхности образуется ряд параллельных оси детали канавок.

Для пескоструйной обработки деталей применяют специальные пескоструйные аппараты.

Стальные и чугунные детали обрабатывают сухим горным кварцевым песком. Для обработки тонких деталей используют песок с зернами величиной 1-1,5 мм, а для обработки грубых деталей – песок с частичками размером 2-2,5 мм. Оптимальное давление при обработке стальных и чугунных деталей 6 атм.

Угол наклона сопла к поверхности обрабатываемой чугунной детали 80-90°, к поверхности стальной детали 45-67°. Расстояние от сопла пистолета до детали 100 мм. Воздух, необходимый для распыления песка, должен быть очищен от влаги и масла в специальных масловлагоотделителях.

Треугольную нарезку (с последующей обработкой дробью) выполняют резцом с углом в плане, равным 60°. Шаг резьбы 0,8 мм, глубина резания 0,5 мм, скорость резания 4,5-6 м/мин. После нарезки резьбы деталь обрабатывают чугунной дробью диаметром 0,4-0,5 мм.

Нарезка резцом, имеющим угол в плане, равный 60°, и режущую грань, закругленную по радиусу r=0,4-0,5 мм, выполняют с шагом 0,8 мм и глубиной 0,5 мм.

Треугольная нарезка с «равной» поверхностью ниток обеспечивает хорошее сцепление металлизированного слоя с основанием. Нарезку выполняют резцом, передний угол которого равен 0°, а угол при вершине около 60°. Резец устанавливают несколько ниже центра детали.

Электродуговая обработка осуществляется посредством электрической дуги, горящей между угольным (или стальным) электродом и вращающейся деталью при подаче струи сжатого воздуха. При таком способе обработки на поверхности получаются углубления и наплывы, с достаточной прочностью удерживающие напыленный слой. Для металлизации очень твердых, а также внутренних поверхностей наплавляют на обрабатываемую поверхность тонкий слой никеля, образующего «пену» и плотно сплавляющегося с основным металлом. Затем на эту «пену» наращивают металлизированный слой.

Нарезка кольцевых канавок шириной 1-2 мм, глубиной 0,5 мм и толщиной буртиков между канавками 0,6 мм применяется главным образом при подготовке к металлизации открытых концов вала.

Можно рекомендовать следующие способы подготовки деталей, работающих в условиях переменных нагрузок, для напыления стального металлизированного слоя: обработка дробью, накатка, треугольная нарезка с последующей обработкой дробью.
Металлизация деталей. После предварительной обработки поверхности деталь подвергают металлизации. Деталь следует металлизировать после предварительной обработки, но не позже чем через 2 часа, чтобы избежать возможной коррозии или засорения подготовленной поверхности.

Температура в металлизационном цехе должна быть равной или меньше температуры механического цеха, в котором подготавливалась деталь, так как в противном случае на детали будет конденсироваться влага, которая уменьшает прочность сцепления наращиваемого слоя с основным металлом.

Металлизационный слой наносят на детали с помощью металлизационных пистолетов.

Заводами изготовляются следующие металлизационные пистолеты: ЛК-6А, предназначенный для наращивания деталей на станке; ЛК-У – переносного типа; ЛК-12; ЭМ-1; ЭМ-2; ЭМ-3; ЭМ-4; ЛК-6а-12. Каждый из этих аппаратов рассчитан на различную производительность распиливания.

Для работы металлизационной установки необходим сжатый воздух, нагнетаемый под давлением 6-7 атм. компрессором производительностью 3-5 м/мин. Компрессор должен быть снабжен ресивером (воздухосборник) емкостью 2-3 м³ и масловлагоотделителем. Установка должна иметь трансформатор, понижающий напряжение с 220 или 127 до 40 В.

Процесс металлизации прерывист, и во время работы пистолета слышен характерный шум, который объясняется различными стадиями процесса. На качество покрытия оказывают влияние следующие факторы: давление воздуха, распиливающего металл, расстояние от сопла пистолета до детали, ток, напряжение, скорость подачи проволоки, скорость перемещения поверхности детали относительно струи распыливаемого металла (в м/мин); скорость перемещения пистолета параллельно оси вращения детали на один оборот детали (в мм).

С увеличением давления воздуха увеличиваются скорость полета частиц, сила удара их о поверхность детали (или о ранее отложенный слой), скорость охлаждения частиц, связанная с закалкой наращиваемого металла, а также степень окисления частиц. Таким образом, с повышением давления воздуха до определенного предела (до 4,5-5,5 атм.) твердость и износостойкость слоя увеличиваются.

Пониженная твердость и износостойкость покрытий при малых давлениях воздуха объясняются малой плотностью слоя, вызываемой малой скоростью частиц, а также перегревом поверхности. При увеличении давления воздуха (более 5,5 атм.) скорость частиц увеличивается, но твердость их, достигнув максимального значения, остается постоянной, так как скорость охлаждения металла почти не изменяется. Изменение износостойкости связано с интенсивным окислением частиц при повышении давления воздуха. Давление воздуха может несколько изменяться от указанных выше пределов (4,5-5,5 атм.) в зависимости от конструкции пистолета.

Скорость частиц находится в обратной зависимости от диаметра сопла и расстояния от сопла до места образования дуги.

С изменением расстояния между соплом пистолета и наращиваемой поверхностью изменяется качество покрытия. При небольшом расстоянии поверхность детали перегревается, уменьшаются твердость и износостойкость наращиваемого слоя. Обычно применяют проволоку диаметром 1-1,5 мм. Ток при металлизации, зависящий от толщины применяемой проволоки, принимают равным 90-150, а при напряжении (рабочем) 30-35 в. Ток и напряжение не оказывают особого влияния на качество покрытия.

Скорость подачи проволоки определяется диаметром последней и в процессе металлизации может изменяться в очень небольших пределах, так как с увеличением скорости проволока не успевает плавиться и отрывается кусками, а при недостаточной скорости дуга прерывается и процесс проходит с большими перебоями или прекращается.

Скорости перемещения поверхности детали относительно струи распиливаемого металла и пистолета параллельно оси вращения детали существенно влияют на качество покрытия. Находясь в воздухе, напыленный слой сильно окисляется, и при повторном нанесении прочность сцепления частиц уменьшается. Рекомендуется за один проход пистолета, т.е. за время одного перемещения пистолета вдоль детали наращивать на последнюю слой необходимой толщины. Обычно принимают скорость перемещения детали в пределах 5-15 м/мин, а скорость перемещения пистолета – в пределах 1,5-5 мм/об. При обработке металлизированных покрытий хорошие результаты дают резцы с пластинками из твердых сплавов.

Перед проточкой рекомендуется пропитать слой маслом. Для этого детали следует поместить в ванну с маслом на 1,5-2 часа. Металлизированную деталь обрабатывают при скорости резания 10-15 м/мин, подаче 0,2-0,5 мм/об и глубине резания до 1 мм.

При проточке одновременно проверяют качество сцепления слоя с поверхностью детали. Если во время проточки слой не отлетает от поверхности, то это до некоторой степени гарантирует надежную работу детали в процессе эксплуатации.
Металлизированные сталью детали шлифуют на обычных шлифовальных станках при режимах, принятых при шлифовке стальных деталей, применяя шлифовальные круги с более мягкой связкой.

Так же есть статья «Электродуговая металлизация«.