Таблица 1. Режимы нанесения детонационных покрытий из некоторых материалов

Контрольно-курсовая работа

по дисциплине «Специальные методы соединения материалов»

на тему:

 «Состояние и перспективы детонационного

напыления покрытий»

Выполнил:

студент гр. 630621                                                          Иванцов О.В.

 

 

Руководитель:

канд.техн.наук, доц.                                                        Татаринов Е.А.

 

Тула 2006

С О Д Е Р Ж А Н И Е

Введение - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -  3

1. Теоретические основы детонационного напыления - - - - - - - - - - - - - - - - 4

1.1. Сущность метода - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 4

1.2. Технологические особенности детонационного напыления - - - - 10

1.2.1. Тепловые процессы - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 10

1.2.2. Температура контакта - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 15

1.2.3. Давление при ударе - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 20

1.3. Физико-химические основы детонационного напыления - - - - - -  25

2. Установки для детонационно-газового напыления - - - - - - - - - - - - - - - - 33

3. Перспективы детонационно-газового напыления - - - - - - - - - - - - - - - - -  42

3.1. Достоинства и недостатки детонационно-газового напыления - -  42

3.2. Оценка перспективы развития метода - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 44

Заключение - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 48

Список используемой литературы - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 49

В В Е Д Е Н И Е

Под детонацией понимают процесс химического превращения взрыв­чатого вещества при распространении по нему детонационной волны с максимально возможной скоростью, превышающей скорость звука в этой среде.

При детонационно-газовом напылении покрытий используют специ­фический источник нагрева, распыления и ускорения напыляемых час­тиц. Источник представляет собой высокоскоростной поток газовой смеси, образующейся в результате направленного взрыва, обуслов­ленного детонацией. Для этого заданное количество газовой смеси способной детонировать, подают в камеру зажигания и ствол установки.

Протекание детонационного взрыва и теплофизические парамет­ры продуктов реакции легко регулируются введением в состав горю­чей смеси различных технологических добавок. Наиболее часто ис­пользуют азот, аргон и др. Технологические газовые добавки выполняют и дру­гие функции. В частности, запирают каналы рабочих газов от дейст­вия взрыва, очищают камеру сгорания и ствол от продуктов детонации.

Скорости частиц при этом оказываются достаточно высокими,, чтобы существенно повышать их температуру в момент соударения. При­ведем расчетные значения скорости холодных частиц некоторых ма­териалов, при которых происходит их расплавление (с учетом, что кинетическая энергия при переходе в тепловую распределяется поровну между частицей и поверхностью напыления).

Теоретические основы детонационного напыления

Сущность метода

Отличительная особенность детонационного напыления – циклический характер подачи порошка на поверхность обраба­тываемой детали со скоростью, превышающей скорость звука. Циклический процесс напыления получают с помощью детона­ционных установок, принципиальная схема которых представле­на на рис. 1.

В общем виде детонационные установки состоят из блока 4 подачи напыляющего порошка, включающего порошковый пи­татель и дозирующее устройство; блока 2, служащего для образования требуемых газовых смесей и заполнения ими ство­ла детонационной установки с заданной скоростью; блока под-жига 3 и воспламенителя 2, предназначенных для инициирова­ния взрыва рабочей смеси; ствола 5, представляющего собой трубу диаметром 20 - 50 мм, длиной 1 - 2,5 м и предназначенно­го для направленного распространения взрывной волны в сторо­ну открытого конца ствола.

Рис. 1 Схема детонационных устройств

Принцип действия установки состоит в следующем. Из блока 1 газовая смесь подается в ствол 5. Одновременно из порошко­вого питателя через дозирующее устройство (блок 4) заданны­ми порциями вдувают газом — азотом или воздухом — мелкодис­персный порошок в газовую смесь непосредственно перед ее за­жиганием, затем воспламенителем 2 поджигают газовую смесь. В результате воспламенения и перемещения по каналу горючей смеси происходит ее взрыв с выделе­нием значительного количества тепло­ты и образованием детонационной вол­ны, которая ускоряет и переносит че­рез ствол на поверхность детали 6 на­пыляемые частицы 7 со скоростью, оп­ределяемой геометрией ствола и соста­вом газа.

Процесс формирования покрытий детонационным напылением сложный и недостаточно изучен. Во многом он сходен с процессом плазменного напы­ления. Сходство заключается в том, что сцепление частиц с подложкой и между собой может происхо­дить в расплавленном, оплавленном и твердом состояниях. Проч­ность сцепления обеспечивается главным образом за счет напы­ления расплавленными и оплавленными частицами, которые рас­текаются и кристаллизуются на поверхности подложки за счет химического взаимодействия. В то же время детонационный про­цесс напыления в отличие от непрерывного плазменного являет­ся цикличным, сообщающим частицам порошка более высокие скорости, что определяет особенности механизма формирования покрытий.

При детонационном напылении скорость частиц в отличие от плазменного напыления (100 - 200 м/с) достигает 400 - 1000м/с. Поэтому кроме термической активации существенное влияние на механизм и кинетику формирования напыленных слоев оказыва­ет пластическая деформация в зоне соударения частиц и под­ложки. Однако основной вклад в формирование покрытий при напылении вносит термическая активация. Опыт применения различных способов напыления, в том числе детонационного, показывает, что для получения удовлетворительного сцепления частиц порошка с основой необходимо, чтобы их значительная часть транспортировалась на подложку в расплавленном или оплавленном состоянии. Экспери­ментальные исследования по процессу формирования покрытий детонационным напылением показывают, что состояние частиц, находящихся в двухфазном потоке, неоднородно. В начале и се­редине потока они находятся в расплавленном или оплавленном состоянии, и температура в контакте с подложкой достигает температуры их плавления. При этом за счет теплоты, выделяе­мой при ударе о подложку частиц, имеющих скорость ~ 400 м/с, температура в зоне контакта повышается примерно на 100°С.

При напылении порошковыми материалами с температурой плавления, превышающей температуру плавления основного ме­талла, происходит подплавление последнего. Так, например, при нанесении покрытий из оксида алюминия АlО_з и порошковыми твердыми сплавами типа ВК на коррозионно-стойкие стали по­следние подплавляются и перемешиваются с напыляемыми рас­плавленными частицами порошка, повышая тем самым проч­ность сцепления. Повышению адгезии, как и при других спосо­бах газотермического напыления, способствует предварительная дробеструйная обработка напыляемой поверхности. В этом слу­чае возможно получать прочные связи между напыляемым ма­териалом и подложкой, имеющей твердость выше HRC 60. При напылении первого слоя возможно возникновение пор. При на­пылении второго слоя частицы порошка деформируют и уплот­няют кристаллизующийся первый слой, что способствует устра­нению или уменьшению пористости. Это явление характерно для детонационного напыления, его называют эффект горячего ударного прессования.

Более крупные частицы из конца (хвоста) менее концентри­рованного потока обладают меньшей скоростью и наносятся на поверхность подложки чаще всего в нерасплавленном виде. При формировании покрытия такие частицы играют двоякую роль: полезную - удаляют дефектные участки ранее нанесенно­го покрытия, повышая его плотность и физико-механические свойства; вредную - при значительном повышении кинетической энергии крупных частиц в покрытии могут появиться трещины и даже полное его отслоение. Эти явления можно регулировать, изменяя режим скорострельности установки и грануляцию на­пыляемого порошка. С точки зрения применяемых материалов и оборудования процесс детонационного напыления весьма про­стой. Основными факторами, определяющими характер детона­ционного напыления, являются газовая смесь, порошки, ствол установки.

Однако использование этих факторов в технологическом про­цессе напыления связано с изменением и управлением ряда ха­рактерных для каждого из них параметров. Для газовой смеси это состав газовой смеси; доза газовой смеси за один выстрел; состав газовой смеси в стволе между выстрелами.

Для порошка - химический состав порошка; грануляция на­пыляемого порошка; расположение порошка в стволе в момент поджига смеси; распределение частиц по размерам. Ствол ха­рактеризуется геометрическими параметрами: диаметром и дли­ной.

В свою очередь, перечисленные параметры порождают другие параметры, характеризующие конечное состояние процесса: кон­центрация, температура и скорость частиц; химический состав среды; температура поверхности подложки.

Таким образом, технологический процесс детонационного на­пыления является сложным, и качество формирования покрытий зависит от совокупности многочисленных параметров, их под­держания в оптимальных пределах. Рекомендуемые режимы де­тонационного напыления для некоторых материалов представ­лены в табл. 1.

В серийном производстве поддержание оптимальных режи­мов многопараметрического процесса возможно при условии ра­боты установки в автоматическом режиме.

Автоматическая детонационная установка, представленная на рис. 2, имеет систему электроуправления детонационным обо­рудованием, состоящую из нескольких блоков управления, обе­спечивающих последовательность технологических операций и безопасность работы оператора.

При детонационном напылении можно получать покрытия из любых материалов, тугоплавких соединений, оксидов и др. Для получения износостойких покрытий с целью восстановления де­талей применяют оксид алюминия АlО_з, самофлюсующиеся сплавы ПГ-СР, СНГН, ВСНГН (65% WC и 35% СНГН).

Таблица 1. Режимы нанесения детонационных покрытий из некоторых материалов

Материал	Отношение О2/С2 Н2	Глубина загрузки порошка, мм	Дистанция напыления, мм	Навеска порошка, мг	Грануляция, мкм	Длина ствола, м	Диаметр ствола, мм
Al2O3 > 99%	2,5	750	150	50	20 - 40	2	20,
WC+8 - 20 % Со (механическая смесь)	1,2	300	150	200	1 - 5	1.6	16
WC+8 - 20 % Со (гомогенный сплав)	1,2	300	150	200	10 - 20	1,6	16
75 % Сr2Сз+25 % NiCr	1,2	300	100	200	40 - 50	2	20

 

 

Для повышения износостойкости используют карбиды вольфра­ма WC, титана TiC, хрома Сг₂Сз, борид хрома СгВ₂ с добавками 8 - 20% Ni или Со.

При детонационном напылении практически можно получить слои значительной толщины, но наибольшей прочностью сцеп­ления обладают напыленные покрытия толщиной 0,2 - 0,4 мм (130 - 160 МПа). Поэтому наиболее рационально восстанавли­вать детали с небольшими износами. Скорострельность детона­ционного напыления составляет 1 - 5 выстрелов в секунду. Тол­щина покрытия в центре металлизационного пятна, наносимого за один выстрел, зависит от дозы порошка, подаваемого в ствол, и обычно составляет 8 - 20 мкм при площади покрытия 4 - 6 см², При напылении самофлюсующимися сплавами обычно применя­ют порошки с диаметром частиц 7 - 70 мкм. Шероховатость пос­ле нанесения детонационных покрытий составляет,, как правило, Rа = 3: 4 мкм.

 

Рис. 2. Схема автоматиче­ской детонационной установ­ки:

1 - баллоны с газом; 2 - редук­торы; 3 - вентили; 4 - стабили­заторы давления; 5 - ротамет­ры; 6 - электромагнитные кла­паны; 7 - смесительное устрой­ство; 8 - термопары; 9 - усили­тель; 10 -патрубок для слива воды; 11 - ствол; 12 - реле дав­ления; 13 - свеча для иницииро­вания взрыва; 14 - дозатор; 15 - манометр; 16 - вентиль для подачи воды; 17 - датчик, фиксирующий взрыв и вы­дающий командуна выполне­ние следующего взрыва; 18 - покрытие; 19 - напыляемая де­таль; 20 - электродвигатель с приспособлениями, перемещаю­щими деталь; 21 - управляемое устройство для перемещения детали; 22 - шкаф для электри­ческого управления; 23 - кноп­ка «Пуск» установки; 24 - кноп­ка «Стоп» установки.

 

Производительность детонационного напыления (10 - 60 см²/мин) ниже плазменного (до 100 см²/мин). Повышение производительности связывают с дальнейшим совершенствованием процесса детонационного напыления и его оборудования Применение диаметра ствола свыше 25 мм влечет за собой снижение качества формирования покрытий, а использование диаметра ствола свыше 50 мм не рекомендуется по соображениям техники безопасности.

За счет уменьшения длины ствола, а следовательно, сокра­щения времени его заполнения рабочей смесью можно повысить скорострельность. Однако сокращение времени заполнения ство­ла и уменьшение его длины (до 400 мм) возможно при исполь­зовании легкоплавких металлических порошков. Для получения качественных покрытий напылением более тугоплавкими спла­вами требуется длина ствола ~ 2000 мм.

За счет применения многоствольных установок производи­тельность можно повысить в несколько раз. В то же время из-за технических трудностей, связанных с управлением сразу не­сколькими стволами, эти установки пока что не нашли практи­ческого применения.

Детонационное напыление получает распространение в раз­личных отраслях народного хозяйства как для упрочнения по­верхностей новых деталей, так и для восстановления изношен­ных. Этому способствует выпуск установок для автоматического детонационного напыления: УНД-2, «Гамма», «Союз», УДГ-Н2-30, УДГ-Д2-4.

Детонационное напыление применяют для упрочнения раз­личных видов инструмента, штампов, коленчатых валов и блоков цилиндров двигателей. Для восстановления изношенных деталей детонационное напыление пока применяют ограниченно, глав­ным образом для нанесения покрытий на посадочные места под подшипники. Отдельные исследования по восстановлению колен­чатых валов автотракторных двигателей пока не дали желаемых результатов. В то же время испытания ряда упрочненных и вос­становленных деталей в условиях эксплуатации, а также опыт зарубежных фирм показывают, что более широкое внедрение де­тонационного напыления в производство позволит получить зна­чительный технико-экономический эффект.