Нанесение покрытий напылением

Нанесение покрытий напылением

Введение

Постоянная необеспеченность ремонтного производства запасными частями является серьезным фактором снижения технической готовности автомобильного парка. Расширение их производства, новых запасных частей связано с увеличением материальных и трудовых затрат. Около 75% деталей выброшенных при первом капитальном ремонте автомобилей, являются ремонтно-пригодными, либо могут быть использованы вообще без восстановления. Поэтому целесообразной альтернативой расширению производства запасных частей являются вторичное использование изношенных деталей, восстанавливаемых в процессе ремонта автомобиля и его агрегатов.

Иногда, по ряду причин, подшипники выходят из строя раньше времени. Это происходит вследствие множества причин. Например, не предполагаемо высокая нагрузка, недостаточное смазывание или неподходящий смазочный материал, неправильный монтаж подшипника, недостаточная эффективность уплотнений, посадка подшипника с чрезмерным натягом и, соответственно, недостаточный внутренний зазор или чрезмерный внутренний натяг подшипника. Каждая такая ситуация порождает специфическое повреждение подшипника, которое находит отражение в характерной картине повреждения. Следовательно, в большинстве случаев становится возможным, при исследовании повреждённого подшипника, установить причину повреждения и принять соответствующие меры, для того чтобы избежать повторного повреждения подшипника после возобновления работы машины.

После выяснения причины внеплановой остановки оборудования встает вопрос о замене подшипника. Здесь есть два пути: приобретение нового, и восстановление старого. Производство крупногабаритных подшипников сейчас составляет более 12 месяцев у различных подшипниковых производителей. Сроки по восстановлению занимают от 30 до 45 дней. Кроме того, экономия средств, при восстановлении составляет более 20% от стоимости нового подшипника.

Восстановление - это доведение эксплуатационного ресурса подшипника до расчетно-максимального при конкретных условиях эксплуатации. В рамках этого процесса могут быть изменены некоторые технические характеристики, например: радиальный зазор, а также возможно использование новых деталей подшипника.

Подробный анализ неисправностей с использованием компьютерных технологий дает необходимые данные для усовершенствования, как самого подшипника, так и узла вращения в целом.

Выбор технологии восстановления зависит от степени повреждений, условий применения и эксплуатационного опыта заказчика. Профессиональное восстановление уменьшает риск внеплановых простоев оборудования.

Из ремонтной практики известно, что большинство выбракованных по износу деталей теряют не более 1-2% исходной массы, при этом прочность деталей практически сохраняется.

С позиции воспроизводства машин экономическая целесообразность ремонта обусловлена возможностью повторного использования большинства деталей как годных, так и предельно изношенных после восстановления. Это позволяет осуществить ремонт в более короткие сроки с меньшими затратами металла по сравнению с затратами при изготовлении новых деталей.

Высокое качество отремонтированных автомобилей и агрегатов предъявляет повышение требования к ресурсу восстановленных деталей. Известно, что в автомобилях и агрегатах после капитального ремонта детали работают, как правило, в значительно худших условиях, чем в новых, что связано с изменением базисных размеров, смещением осей в корпусных деталях, изменение условий задачи смазки и пр. В этой связи технология восстановления деталей должна базироваться на таких способах нанесения покрытий и последующей обработки, которые позволили бы не только сохранить, но и увеличить ресурс отремонтированных деталей.

Целью работы является усовершенствование технологии нанесения порошковых композиционных материалов на внутреннюю поверхность цилиндрических деталей.

Для выполнения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

      Провести анализ методов нанесения покрытий на поверхность изделий.

      Изучить возможность применения методов напрессовки порошкового слоя для восстановления внутренней поверхности втулки.

      Обосновать выбор материала порошкового слоя.

      Провести экспериментальные исследования по прессованию и спеканию исследуемых образцов по различным режимам.

      Дать технологические рекомендации по восстановлению исследуемых деталей методом напрессовки порошкового слоя.

      Изучить возможность применения разработанной технологии для получения изделий различного функционального назначения.

ГЛАВА 1. Литературный обзор

.1 Основные методы нанесения покрытий

Использование износостойких, коррозионностойких, жаростойких, химически стойких, электроизоляционных, теплоизоляционных и других видов покрытий позволяет резко сократить потери металлов, расход ресурсов на их возмещение и дает возможность повысить качество, надежность и долговечность машин, оборудования и сооружений. Повышение технического уровня и качества машин - важнейший резерв роста производительности труда, экономии всех видов ресурсов и основа научно- технического прогресса [1].

Для придания поверхностям широкого диапазона свойств, удовлетворяющих различным эксплуатационным требованиям изделий, применяется множество способов создания покрытий. Рассмотрим некоторые из них:

Плакирование. Покрытие создается совместным пластическим деформированием материала изделия и наносимого слоя (рис. 1.2, а, стрелкой обозначено давление на металл).

В самом процессе заложены условия получения покрытий с высокой адгезионной и когезионной прочностью и минимальным количеством несплошностей. Такие покрытия могут удовлетворять многим эксплуатационным свойствам и, особенно, коррозионной стойкости в различных средах. Плакированные покрытия достаточно легко получают при производстве полуфабрикатов (листов, лент, прутков и др.). Материал покрытия (плакировки) должен обладать высокой пластичностью. В технической литературе этот процесс описан применительно, главным образом, к плакированию листовых полуфабрикатов [1].

Нанесение порошковых покрытий. Формирование покрытий осуществляется нанесением на рабочие поверхности изделий порошковых материалов с последующим их упрочнением (рис. 1.2, а, е). При этом используется свободная засыпка порошка и различные способы его предварительного закрепления. Удержание порошка при свободной засыпке обеспечивается формирующими канавками или специальными устройствами. Для закрепления порошковых материалов на поверхностях изделий используют связующие вещества, например, типа шликеров при эмалировании.

Упрочнение сформированного порошкового слоя производится: высокотемпературным спеканием, сплавлением (см. рис. 1.2, д), применением взрывной технологии, электромагнитным воздействием, электроконтактным привариванием (см. рис. 1.2, е) и др.

Погружение в расплавленные среды. Наибольшее распространение для нанесения покрытий получило погружение изделий в металлические и солевые расплавы (рис.2, б, стрелкой обозначено перемещение обрабатываемого материала). Покрытия из многих металлов (главным образом, легкоплавких, таких как Sn, Zn, AI и др.) наносят с помощью погружения изделия в металлические расплавы. Погружением в солевые расплавы нанесение покрытий осуществляется за счет протекания обменных реакций между расплавом и поверхностью обрабатываемого изделия. Например, для нанесения хрома на стальные изделия используется реакция:

+ Fe = FeCl2 + Cr.

В расплавленных солях легко осуществляется процесс борирования и силицирования поверхностей. Метод погружения широко используется для нанесения эмалевых покрытий. Изделия погружают в водную среду с взвешенными частицами фритты и других добавок, называемых шликерами. Последующий высокотемпературный отжиг (700°С и более) определяет свойства эмалевых покрытий. Этот метод известен в промышленности как шликерно-обжиговая технология нанесения покрытий.

Наплавка. Сущность процесса заключается в получении поверхностных слоев нанесением расплавленного присадочного металла методами сварки плавлением (рис.1. 2, в, г). При этом поверхность наплавляемого изделия доводится или до расплавления или до температуры активного смачивания присадочным металлом. Особенно широко применяется дуговая наплавка (рис. 1.2, в, стрелкой показано перемещение дуги) покрытыми электродами, порошковой проволокой, в среде защитных газов, под флюсом и др. Известны способы газопламенной (рис. 1.2, г, стрелками показано перемещение горелки и присадочного материала) и электрошлаковой наплавки. Металл слоя может быть закреплен на поверхности и без его расплавления. Для этого применяют способы соединения в пластическом состоянии, например, электроконтактную приварку. К наплавке следует отнести локальное электроискровое нанесение покрытий. При искровом разряде в газовой среде происходит преимущественное разрушение электрода - анода и перенос продуктов эрозии на поверхность изделия - катода.

Наплавка в основном применяется для восстановления изношенных изделий и реже для создания поверхностей другого назначения. Хорошо отработанная технология наплавки позволяет получать высокое качество покрытия. По сравнению с другими способами создания покрытий наплавка обеспечивает высокую прочность слоя с основным металлом. Характерный для многих покрытий показатель качества - адгезионная прочность при наплавке теряет смысл. При затвердевании расплавленного металла рост кристаллитов в слое происходит на базе частично оплавленных зерен основного металла. К недостаткам наплавки следует отнести высокую температуру нагрева изделий. Кроме того, при наплавке возможно нанесение слоев в основном из металлов и получение тонкослойных наплавок представляет большие трудности. Газотермическое напыление. Покрытия формируются из направленного потока дисперсных частиц со средним размером 10 - 200 мкм (рис. 1.2, ж, стрелкой показано перемещение потока).

Для образования прочных связей между частицами в покрытии необходимо обеспечить достаточный уровень активизации при их контактировании с поверхностью напыления. Это достигается высоким нагревом и ускорением частиц в процессе переноса. В зависимости от источника теплоты и движущих сил переноса различают следующие методы напыления: плазменное, газопламенное, детонационно-газовое, дуговая металлизация и высокочастотная металлизация.

Рис.1.2. Методы нанесения покрытий- материал покрытия; II - изделие

В первых трех методах источник нагрева совмещен с источником распыления и ускорения частиц. При дуговой и высокочастотной металлизации источники нагрева и ускорения разделены. Для создания потока частиц используют либо порошки, либо проволоку (стержни). При использовании проволоки поток частиц образуется посредством расплавления проволоки и ее распыления скоростным потоком автономного газа или самим источником теплоты (плазменной, газопламенной струей, скоростным потоком продуктов взрыва).

Вакуумное конденсационное напыление (осаждение). Покрытие формируется из потока частиц, находящихся в атомарном, молекулярном или их ионизированном состоянии. Обобщенная схема процесса показана на рис.1.2,з. Для получения потока пара (частиц) используют различные источники энергетического воздействия на материал. Различают формирование потока частиц посредством термического испарения материала, ионным распылением или взрывным испарением - распылением. Соответственно этому вакуумное конденсационное напыление разделяют на методы. При ионизации потока напыляемых частиц реализуется способ ионно-плазменного напыления, а при введении в поток реактивного газа - вакуумное конденсационное напыление. Возможности методов вакуумного конденсационного напыления позволяют получать покрытия толщиной от десятков нанометров до сотен микрометров из различных материалов с высоким качеством. Несмотря на существенные различия процессов газотермического и вакуумного конденсационного напыления покрытий (рис.1. 2, ж, з) в их технологии просматриваются и общие элементы. Например, подготовка напыляемой поверхности; получение равномерных по толщине покрытий; последующая обработка напыленных изделий и др. Анализируя схемы газотермического и вакуумного конденсационного напыления, можно выделить одинаковые параметры процесса. В первом приближении это дистанции напыления, конус распыления, температура нагрева напыляемого изделия, физико-химические свойства исходной поверхности, некоторые параметры потока напыляемых частиц.

Газофазное осаждение. Нанесение покрытий осуществляется из газовой фазы в замкнутом объеме (камере) посредством диссоциации соединений при их нагреве и осаждении одного или нескольких элементов соединения на поверхность изделия. Для разложений в реакционной камере используют многие термически нестойкие соединения: карбонильные, гаплоидные, металлоорганические, гидридные и др. Процесс проводят как при нормальном давлении в камере, так и при разрежении. При низком давлении обеспечивается высокая степень чистоты, равномерность слоя и, как следствие, получение покрытий высокого качества для протекания гетерогенной реакции на поверхности изделий осуществляют их нагрев, достигающий нескольких сотен градусов. Обобщенная схема процесса показана на рис. 1.2, и.

Электролитическое осаждение. Нанесение покрытий осуществляется в ваннах с электролитом. Часто такие покрытия называют электролитическими или гальваническими. Наибольшее распространение получили электролитические покрытия из металлов: никелирование, хромирование, цинкование и др. Наряду с этим применяется и электроосаждение сплавов. Покрытие формируется из положительно заряженных ионов металла. В качестве электролита обычно применяют раствор соли осаждаемого материала. Роль катода выполняет покрываемое изделие; анод - пластины из осаждаемого материала (рис. 1.2, к). К разновидности электролитического осаждения может быть отнесен процесс получения композиционных покрытий (КЭП) из электролитов - суспензий. Такое покрытие формируется из высокодисперсных порошковых частиц (неорганических и органических) размером 0,1-10 мкм и катионов металла. Известны электрофоретические покрытия, формирующиеся на изделии - катоде за счет направленного движения коллоидных частиц или макроинов под действием внешнего электрического поля. Для нанесения покрытий электрохимическим осаждением используют также различные способы оксидирования (анодирование, хроматная пассивация и др.). Обрабатываемое изделие в электролите является анодом.

Химическое осаждение. Часто этот метод нанесения покрытий называют химической металлизацией в растворах. Металлические покрытия получают восстановлением ионов металлов (Сu, Ni, Co и др.) в водных растворах с помощью растворенного восстановителя. Для получения никелевых покрытий в качестве восстановителя часто используют гипофосфит, гидразин и другие соединения. При восстановлении гипофосфитом натрия протекает следующая реакция:

+ NaHP02 + Н2О = Ni + НРО3 + 2HCl.

Различная природа процессов при модифицировании и нанесении покрытий затрудняет их рассмотрение с единых позиций и выделение общих закономерностей. По технологическим особенностям ведения процесса, формированию направленного потока частиц в газовой фазе (плотной или разреженной), технике нанесения наиболее близки методы газотермического и вакуумного конденсационного нанесения покрытий. Они и положены в основу при изложении технологии нанесения покрытий.

Классификация методов газотермического напыления

Схема процесса газотермического напыления показана на рис. 1.3.

Распыляемый материал в виде порошка, проволоки (шнуров) или стержней подается в зону нагрева. Различают радиальную и осевую подачу материала. Нагретые частицы распыляют газом, основное назначение которого - ускорение напыляемых частиц в осевом направлении. При подаче в зону нагрева проволоки или стержней распыляющий газ диспергирует расплавленный материал, а в ряде методов напыления он выполняет и функцию нагрева.

Нагрев частиц, их распыление и ускорение газовым потоком предопределили название процесса - газотермическое напыление. Частицы, поступающие на поверхность формирования покрытия, должны обеспечивать образование прочных межатомных связей в процессе контактирования, для чего необходим их нагрев и соответствующая скорость.

Рис.1. 3. Схема процесса газотермического напыления покрытий. (φ - угол расхождения потока; α - угол встречи потока с поверхностью напыления; dп.н - диаметр пятна напыления; tи - температура напыляемого изделия; l -перекрытие проходов; L - дистанция напыления; Lн - начальный участок; L0 - основной участок струи): 1 - сопловая часть генератора частиц; 2 - двухфазная струя; 3 - покрытие; 4 - элемент поверхности напыления

Методы газотермического напыления классифицируют по видам энергии, источника теплоты, распыляемого материала, защиты, по степени механизации и автоматизации, по периодичности потока частиц. По виду энергии различают методы с использованием электрической энергии (газоэлектрические методы) и методы, в которых тепловая энергия образуется за счет сгорания горючих газов (газопламенные методы). Для нагрева распыляемого материала используют следующие виды источника теплоты: дугу, плазму, высокочастотные разряды и газовое пламя. Соответственно этому методы напыления называют: электродуговая металлизация, плазменное напыление, высокочастотная металлизация, газопламенное напыление, детонационно - газовое напыление. Первые три метода относятся к газоэлектрическим, последние - к газопламенным. По виду распыляемого материала применяют порошковые, проволочные (стержневые) и комбинированные способы напыления. При комбинированных способах используется порошковая проволока. Известны следующие методы напыления по виду защиты: без защиты процесса, с местной защитой и с общей защитой в герметичных камерах. При общей защите различают ведение процесса при нормальном (атмосферном) давлении, повышенном и при разрежении (в низком вакууме). Степень механизации и автоматизации процесса. При ручных способах напыления механизирована только подача распыляемого материала. В механизированных способах предусмотрено также перемещение распылителя относительно напыляемого изделия. Часто используют движение напыляемых изделий относительно неподвижного распылителя. Периодичность потока. Большинство методов напыления осуществляется непрерывным потоком частиц. Для некоторых методов возможно только циклическое ведение процесса. Газотермические методы напыления используются для нанесения покрытий различного назначения. К основным достоинствам методов относят высокую производительность при удовлетворительном качестве покрытий.[5]

Высокотемпературное спекание применяют в том случае, если температура плавления материала изделия существенно выше температуры спекания. Это условие ограничивает применение способа. Возможности упрочнения существенно расширяются с использованием процесса жидкофазного спекания или пропитки порошкового каркаса в слое [1].

Оплавление порошковна поверхности изделий достаточно распространенный метод создания покрытий. И в этом случае температура плавления порошковой композиции должна быть значительно ниже материала изделия. В качестве примера может служить упрочнение поверхностей стальных изделий порошковыми сплавами типа коломной, стеллитов и сормайтов с применением индукционного нагрева.

Упрочнение порошковых слоев с применением взрывной технологии при помощи конденсированных взрывчатых веществ особенно перспективно. В процессе ударного нагружения удается деформировать и нагревать порошковые частицы вплоть до температуры их плавления. Происходит одновременное упрочнение всего порошкового слоя с формированием прочных связей между частицами и на границе раздела. При упрочнении взрывом создаются благоприятные условия для синтезирования различных соединений и метастабильных фаз.

Упрочнение порошковых слоев при создании покрытий электромагнитным воздействием основано на использовании давления магнитного поля. Метод широкого распространения не получил. Предложены и исследованы магнитно-импульсные способы упрочнения по двум схемам:

) воздействие на порошковый слой через элемент, воспринимающий давление импульсного магнитного поля и

) воздействие непосредственно на сформированный и закрепленный на поверхности изделия слой порошка.

         Плазменно-дуговое напылениеПлазменно-дуговой способ нанесения покрытий заключается в формировании на поверхности детали слоя частиц порошка, обладающих определенным запасом тепловой и кинетической энергии, полученной в результате взаимодействия со струей дуговой плазмы. Температура плазменной струи достигает 5000-50000 °С, а скорость истечения 1000-1500 м/с. В плазменной струе частицы порошка расплавляются и приобретают скорость 50-200 м/с.

Преимуществами данного способа являются:

·        Возможность получения покрытий из большинства материалов, плавящихся без разложения, без ограничения по температуре плавления;

·        Возможность использования для образовании струи дуговой плазмы газов различного рода: инертных (аргона, гелия), восстановительных (водорода), и окислительных (воздуха, азота);

·        Высокая производительность процесса: 3-20 кг/ч для плазмотронов с электрической мощностью 40-50 кВт.

В отличие от плазменно-дуговой наплавки при напылении характерна низкая для ряда условий эксплуатации прочность сцепления покрытий с основой (20-50 MПa), высокая пористость получаемых покрытий (3-14%), невысокий коэффициент полезного использования энергии плазменной струи на нагрев порошка (2-8%), высокий уровень шума (110-130 Дб).

-    Газопламенное напыление.При газопламенном напылении сущность процесса напыления заключается в том, что материал (в виде проволоки или порошка) подается через металлизатор, при выходе из него расплавляется и под действием струи сжатого воздуха (или газа) распыливается на мельчайшие частицы (0,001…0,1 мм), которые наносятся на изношенную поверхность детали со скоростью 80…200 м/с.

Газопламенное напыление. В настоящие время наибольшее применение в ремонтной практике получили два способа газопламенного напыления. В первом случае газопламенное напыление осуществляется подачей порошкообразного вспомогательного материала в зону пламени с помощью транспортирующего газа (рис 1.4.).

В данном случае, порошок из бункера поступает в горелку, захватывается потоком транспортирующего газа и на выходе из сопла 1 попадает в пламя 2, где он оплавляется и струей горящих газов направляется на напыляемую поверхность. Транспортировка порошка к поверхности детали с помощью газов, а не сжатого воздуха способствует уменьшения окисления расплавленных частиц металла и тем самым оказывает положительное влияние на свойства напыленного слоя.

Рис.1.4 Схема газопламенного напыления порошкового материала:  - ввод порошка с помощью транспортирующего газа; - внешняя подача порошка в факел пламени; 1-сопло горелки; 2-пламя; 3-покрытие; 4-основа детали; 5-подводящая трубка; 6-емкость с порошком

Во втором случае процесс газопламенного напыления осуществляется подачей порошка непосредственно в факел пламени под действием силы тяжести. Из бункера по подающей трубке 1 порошок направляется в ацителено-кислородное пламя 2 на срез сопел мундштука 3.

В зоне пламени порошок частично оплавляется и под действием давления газов наносится на изношенную поверхность.

Преимущество ввода порошка по второму способу - простота применяемого оборудования. При этом можно точно регулировать мощность пламени и место ввода порошка и нет необходимости в транспортирующем газе.

Газопламенное напыление позволяет получать нанесенные слои металла с заранее заданными свойствами, которые достигаются применением механических смесей (композиций) с различным химическим составом, используется ацителено-кислородный или пропано-бутановый нагрев.

Определяющую роль в сцеплении порошка с основным металлом играет степень подготовки поверхности перед напылением. Для удаления следов износа применяется механическая обработка без применения охлаждающей жидкости на глубину не более 0,85 мм. Для деталей не подверженных знакопеременным нагрузкам, окончательной операцией подготовки поверхности к напылению является нарезание «рванной резьбы». Для деталей, работающих при знакопеременных нагрузках, шероховатость поверхности перед напылением порошком создается струйной обработкой зерном абразива (корунда). Для струйной обработки напыляемой поверхности применяется 50% смесь (по массе) порошков электрокорунда зернистостью 60…80 и 120…160. Режим обработки: давление воздуха - 0,5…0,6 МПа, угол наклона струи абразива к поверхности 65…70°, расстояние от сопла до поверхности детали - 70….90 мм, расход воздуха - 3…5 м3/мин. Расход порошка электрокорунда на 1 дм2 обрабатываемой поверхности составляет 1,5 кг.

Одним из методов повышения прочности сцепления покрытия с основным металлом - применение подслоев или слоев сцепления с основанием. Для нанесения подслоя применяют экзотермический порошок из смеси никеля и алюминия, нержавеющую сталь, алюминиевую бронзу и другие. Наиболее перспективным материалом для напыления подслоя - смесь алюминий-никель, содержащая 80…82% Ni и 18…20 Al . Перед нанесением покрытия поверхность нагревают до 150°С. При нанесении данной смеси протекает экзотермическая реакция, при которой частицы металла достигают высокой (свыше 1500°С) температуры и свариваются или сплавляются с поверхностью детали. Глубина зоны сплавления незначительна и составляет менее 0,1 мм.

Для нанесения основного слоя покрытия применяются самофлюсующие порошки, т.е. способные сохранять в покрытии флюсующие элементы, например ПГ-ХН80СР2 или СНГН. Можно воспользоваться механической смесью порошков, представляющую алюминий-никель 20…50% и самофлюсующийся ПГ-ХН80СР2 - 70…80%. Режим напыления покрытия: давление газов (МПа) О2 - 0,34…0,45; С2Н2 - 0,03…0,5; С2Н6- 0,02; расход газов (м3/ч) О2- 0,8…1,0; С2Н2- 0,6…0,8; С2Н6- 0,2; частота вращения детали - 50…250 об/мин; расстояние до поверхности, мм 150…200; профильная подача - 6…8 мм/об, расход порошка, кг/ч - 2,0…3,5; грануляция порошка, мкм 40…100.

Порошок подслоя алюминий-никель наносится за один проход газопламенной горелки, основной слой наносится за несколько проходов до получения покрытия, имеющего пропуск на механическую обработку. Поверхность покрытия с использованием смесей порошков алюминий-никель и ПГ-ХН80СР2, имеет твердость HRC 39…41, пористость слоя 17…18%, прочность сцепления с основным металлом 150…180 МПа. Для повышения прочности сцепления, уменьшения пористости проводят операцию оплавления. Оплавление проводится сразу же за напылением. Участок, покрытый порошком нагревают до полного распределения всех зерен металла в напыленном слое, в результате чего получают блестящую поверхность. После этой операции прочность сцепления повышается до 450 МПа, пористость уменьшается до 8…10%. Операцию оплавления, наряду с газовой горелкой можно проводить с применением т.в.ч.

Механическая обработка припуска осуществляется при токарной обработке - эльбором - Р (композит 01), или гексанитом - Р (композит 10), для обеспечения точности - шлифованием.

Плазменное напыление также как сварка и наплавка, основаны на использовании тепловой плазменной дуги. Плазмой называется вещество, нагретое до такой температуры, когда поры находятся в сильно ионизированном состоянии. Устройство, в котором получают плазменную струю, называют плазменной горелкой, или плазмотроном. Для образования плазмы источником тепла в них служит электрическая дуга.

Плазмотрон (рис 1.5) состоит из цилиндрического корпуса, в который вмонтирован медный электрод с неплавящимся вольфрамовым наконечником, и сопла, изолированного от корпуса и охлаждаемого водой.

Рис 1.5. Схема плазмотрона: 1-катод из лантанированного вольфрама; 2-рубашка для охлаждения катода; 3-изоляционная прокладка; 4-сопло плазмотрона (анод); 5- электрическая дуга; 6-трубка для подачи порошка; 7-металлизационная струя; 8-порошковый питатель

Плазменная сварка и наплавка может быть применена для наплавки металла толщиной наплавленного слоя толщиной от 0,3 до 3,5 мм за один проход, сварки деталей толщиной от 0,01 до 10 мм.

Наибольшее применение на ремонтных предприятиях нашло плазменное напыление. Плазменное напыление основывается на расплавлении порошковых сплавов плазменной дугой и применяется для нанесения покрытий из тугоплавких материалов, а также различных карбидов (хрома, вольфрама и др.). Для получения износостойких покрытий применяют проволоки Нп-30ХГСА, Св-08Г2Ч, Нп-65Г, самофлюсующие хромборникелевые порошки ПГХН80СР4 и СНГН-60, а также порошки на железной основе ФБХ-6-2, КХБ, Т-590, УС-25 и др. Проволоку и порошок подают в плазменную струю на выходе.

Для плазменного напыления выпускаются установки УПУ-3, УПУ-3М, УМП-5-68, УМП-5, АПР-3, комплектуемые плазмотронами ГН-5М (для проволоки), ГН-5Р (для порошка), ПП-25 и ПМ-25. Подготовка деталей к нанесению покрытия аналогична как и при газопламенном напылении. Для повышения прочности сцепления покрытия с основным металлом рекомендуется наносить подслой из молибденового порошка.

Токарная обработка проводится с применением резцов, оснащенных эльбором-Р, шлифование кругами 91А25СМ17К5. Оплавление покрытия на установки т.в.ч. производится с частотой тока 75…100 кГц, зазор между деталью и индуктором 5…6 мм, частота вращения 15…20 мин -1, сила тока высокой ступени генератора т.в.ч. 5…8 А.

Оплавление покрытия из сплавов на основе никеля ПГ-СР2, ПГ-СР3, ПГ-СР4 имеют следующие свойства: микротвердость покрытий HRC 35…60 в зависимости от содержания в них бора; благодаря присутствию в структуре покрытий твердых кристаллов (боридов и карбидов) значительно повышается износостойкость (при напылении ПГ-СР4 она в 2…3 раза превышает износостойкость стали 45, закаленный до твердости HRC 54…58, а при напылении порошковой смесью, состоящей из 50% ПГ-СР4 и 50% ПГ-С1, - в 5…10 раз); усталостная прочность деталей после оплавления покрытия повышается на 20…25%, что объясняется упрочняющим влиянием покрытия.

Этим способом можно восстанавливать поверхности деталей, работающих в условиях значительных знакопеременных нагрузок (кулачки распределительных валов, шейки коленчатых валов и др.).

Другие способы обработки поверхностей изделий Большое распространение имеет способ покрытия изделий из железного порошка с помощью пара. Под действием перегретого пара под давлением около 4 ат получается стойкое и инертное покрытие в виде магнитной окиси железа. Перед обработкой паром изделия нагреваются до температуры около 600°С. У железных изделий, обработанных этим способом, повышается твердость, прочность при сжатии, износостойкость и коррозионная стойкость, но понижается пористость, вязкость и прочность при растяжении. Изделия, подвергнутые полной обработке паром, обычно теряют самосмазывающиесвойства, однако обработку можно прекратить в любой стадии уменьшения этих свойств. В некоторых случаях изделия только частично обрабатываются паром, но при этом уже значительно увеличивается коррозионная стойкость без заметного понижения прочности при растяжении и самосмазывающих свойств. Регулирование процесса покрытия обычно производится изменением продолжительности обработки паром. При обработке во всех порах, куда проникает пар, образуется магнитная окись железа. Количество образующей окиси железа зависит от пористости изделия, так как наличие пор пропорционально увеличивает обрабатываемую поверхность. Опытным путем определено, что при обработке паром в течение 4 мин. образуется половинное количество окиси и вес изделия увеличивается на 4%. После обработки паром в течение 60 мин. вес изделия увеличивается на 7,8%, но при дальнейшей обработке вес остается неизменным. Таким образом, в магнитную окись железа на поверхностях изделий при увеличении веса на 7,8% от первоначального переходит около одной пятой части всего железа, содержащегося в изделии. Прирост веса получается относительно большим, однако размерные изменения незначительны. Изменение твердости и других механических и физических свойств зависит от пористости, т е. от плотности изделия, поэтому такие изменения находятся под контролем. Изделия средней плотности приобретают максимальную твердость после обработки па ром, потому что образуется значительное количество окиси железа, которая создает очень жесткий скелет в структуре металла, а внутренние части структуры остаются чисто металлическими. Для предотвращения коррозии широко применяется фосфатная обработка изделий. Иногда производится паркеризация с применением такого восстанавливающего агента, как окись магния в растворе фосфорнокислого железа. При погружении изделий в кипящийдигидросульфат магния выделяется значительное количество водорода. После окончания пенообразования изделия вынимаются и высушиваются. Получается светло-серое покрытие, цвет которого можно изменить до глубоко черного, погружением в парафиновое масло. Однако в некоторых случаях фосфатная обработка может ухудшить свойства изделий.

1.2 Подготовка поверхности

Качественная обработка поверхности изделий перед напылением во многом гарантирует высокую адгезионную прочность покрытий. Поверхность изделий, поступающих на напыление, обычно содержит различные виды загрязнения. Рассмотрим их.

. Физические или механические загрязнения. К ним относятся пыль, ворсинки, абразивные частицы и др. Загрязнения химически не связаны с поверхностью или имеют очень слабое адгезионное взаимодействие.

. Органическое загрязнение в виде адсорбированных тонких и толстых пленок. К ним следует отнести различные смазки, воск, парафин и др.

. Загрязнения, растворимые в воде: соли, кислоты, щелочи и др.

. Химически связанные загрязнения. К ним относят оксидные, нитридные, сульфидные и другие, а также более сложные соединения (гидроксидные, оксинитридные и др.).

. Газообразные загрязнения, адсорбированные поверхностью[1].

К механической подготовке поверхности относятся шлифование, полирование, кварцевание и гидроабразивная обработка.

В процессе шлифования производится удаление с поверхности грубых шероховатостей или неровностей острыми гранями зерен абразивного материала. В качестве абразивов при грубой обработке применяются карборунд SiC или корунд А1503, при более мягкой обработке - наждак, включающий 60-70 % А1203 и 30-35 % Fe2Os, а также кварц, пемза и т. п. Шлифование осуществляется на механических станках посредством вращающихся шлифовальных кругов. Круги изготовляются из абразивного материала с применением в качестве связующего смолы, глины, жидкого стекла и т. п. Такие круги называются шлифовальными камнями и используются для удаления грубых неровностей, окалины, заусенцев и др. Для более тонкой обработки применяются круги, изготовленные склеиванием или сшиванием дисков из войлока, парусины, сукна, брезента и других материалов. На боковую поверхность круга наносятся зерна абразива, закрепляемые при помощи клея или жидкого стекла.

Полирование предназначено для устранения мельчайших неровностей с поверхности и придания ей блестящего вида путем удаления микровыступов и заполнения углублений. Химические соединения, входящие в состав полировальных веществ, способствуют появлению на поверхности металла оксидной пленки, которая удаляется с поверхности при механическом воздействии значительно легче, чем выступающие частички металла. Процесс полирования включает образование и снятие оксидной пленки. Оно осуществляется на механических станках, но полировальные круги, в отличие от шлифовальных, изготовляются из более мягкого материала (полотна, замши, фетра). На боковую поверхность кругов при их вращении наносятся полировальные пасты, которые состоят из связки (полутвердых жиров - стеарин, олеин, воск, парафин и т. п.), абразива н некоторых других веществ, способствующих появлению оксидов или облегчающих удаление связки при обезжиривании. В качестве абразивов используются материалы смелкими зернами: оксид хрома, оксид алюминия, венская известь (оксид кальция с добавлением небольших количеств оксида магния и других примесей). В последнее время, в связи с трудностью удаления пасты о полированной поверхности, предпочтительнее применять так называемые водосмываемые полировальные пасты, в состав которых неомыляемые жиры не входят.

Шлифование и полирование мелких деталей производятся во вращающихся барабанах или колоколах. Если детали обрабатываются без добавления абразива, операция называется галтовкой. Обычно она продолжается от нескольких часов до нескольких суток в зависимости от природы металла и состояния его поверхности. Более распространенными являются подводное шлифование и полирование, при которых детали вместе с абразивом загружаются в перфорированный барабан, который вращается в ванне, содержащей раствор мыла (0,2%), небольшое количество щелочи и ПАВ. Абразивом при подводном шлифовании служат песок, обкатанный бой абразивных кругов, фарфора, фаянса или другого материала, добавляемые в 5-8-кратном избытке по отношению к объему деталей. При подводном полировании в качестве абразива используются древесные опилки, металлические шарики, обрезки кожи, фетра, войлока и т, п. Соотношение объема абразива и деталей 2:1. Время обработки зависит от состояния обрабатываемой поверхности.

Кварцеваниепредставляет собой обработку поверхности при помощи металлических или волосяных щеток на станках или вручную. Кварцеванием удаляются споверхности остатки травильного шлама, жировых пленок труднорастворимых соединений. Кварцеванию могут подвергаться губчатые или рыхлые покрытия с целью получения" компактных осадков.

Гидроабразивной называется обработка поверхности струей воды со взвешенными частичками абразива (например песка), которая подается под большим давлением. Струя сбивает споверхности окалину или другие механические загрязнения и делает поверхность шероховатой. Гидроабразивную обработку применяют в тех случаях, когда слой окалины толстый и снятие его травлением чрезвычайно длительный процесс. Шероховатость поверхности улучшает сцепление с ней фосфатных покрытий, а также покрытий лаками и красками. Гидроабразивная обработка в основном используется вместо применявшейся ранее сухой пескоструйной обработки, недостатком которой являлись сильные загрязнения воздуха кварцевой пылью, что вызывало профессиональное заболевание рабочих - силикоз легких. Кроме гидроабразивной обработки для замены сухой пескоструйной обработки иногда применяют обработку поверхности струей металлической дроби, однако при этом в воздух возможно попадание металлической пыли. Поэтому гидроабразивная обработка по сравнению с пескоструйной обработкой и металлической дробью имеет большие преимущества [7].

1.3 Технология напрессовки порошкового слоя. Патенты

Наиболее целесообразным способом восстановления рабочих поверхностей с втулок является метод спекания композиционных материалов.

Под восстановлением деталей понимается комплекс технологических операций по приданию деталям изначальной геометрической формы и размеров, путем нанесения покрытий в соответствии с технологическими условиями изготовления, а также приобретением ими высоких эксплуатационных и физико-механических свойств, не уступающих аналогам, изготовленным по базовой технологии.

В основе технологического процесса нанесения композиционных материалов на поверхность детали заложены формообразующие свойства данных материалов при использовании холодного прессования и высокотемпературного спекания покрытий. Рассмотрим применение композиционных материалов на примере нанесения износостойких покрытий на рабочие поверхности стальных втулок. При этом необходимо учесть тот, факт, что на стадии изготовления стальной втулки внутренний диаметр ее должен быть больше номинального на величину заданной толщины наносимого покрытия, которая может составлять от 1,5 мм до 2 мм.

Технологический процесс восстановления рабочих поверхностей втулок применением композиционных материалов реализуется согласно структурной схеме, рисунок 1.6.

Рис 1.6 Структурная схема технологического процесса нанесения композиционных покрытий на рабочие поверхности втулок

Перед нанесением композиционного материала на основу детали необходимо произвести просушку его при температуре 150°…200°С в течение одного часа в сушильном шкафу типа Ш-0.05, при периодическом встряхивании и перемешивании. Дозировка композиционного материала необходимо выполнить при помощи аналитических весов ВА-200 с точностью определения массы порошка +0,01 грамм.

Способы нанесения покрытия на внутреннюю поверхность. Патенты.

Существует много литературы и много документов, в которых описывается различные способы нанесения покрытия на ту или иную поверхность, а также восстановления втулок.

·  Рассмотрим патент, опубликованный в 2006 году Вашковцевым Виктором Владимировичем. Его описание представлено ниже[11].

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам нанесения покрытий из металлических порошков при восстановлении и изготовлении деталей триботехнического назначения.

Известен способ восстановления деталей с внутренней полостью, включающий обжатие детали магнитоимпульсным методом на оправке, магнитоимпульсное напрессовывание порошкового слоя на наружную поверхность детали посредством ее раздачи в полости матрицы и спекания (а.с. СССР №1093398, кл.В 22 F 7/04, заявлено 10.11.82, опубликовано 23.05.84, Бюл. №19). Недостатком указанного способа является его трудоемкость, энергоемкость и нетехнологичность.

В качестве ближайшего аналога выбран способ восстановления изношенных поверхностей полых цилиндрических изделий, включающий загрузку порошка в полость изделия и спекание под давлением при вращении, причем давление прикладывают циклически вдоль оси изделия, а после спекания осуществляют радиальную раздачу изделия (а.с. СССР №1533840, кл. В 22 F 7/04, заявлено 06.08.87, опубликовано 07.01.90, Бюл. №1).

Существенным недостатком данного способа является неэффективность индукционного нагрева деталей из цветных металлов, сложность применяемого оборудования и оснастки и как следствие высокая трудоемкость и энергоемкость, а также малая производительность процесса.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является упрощение процесса восстановления и повышение его производительности, снижение трудоемкости и энергоемкости, а также упрощение применяемого оборудования и оснастки.

Указанная техническая задача решается тем, что в способе восстановления втулок подшипников скольжения, включающем загрузку порошка в полость между инструментом и внутренней поверхностью втулки, напрессовку, спекание порошка и радиальную раздачу втулки, в отличие от прототипа, напрессовку и раздачу втулки осуществляют одновременно перед спеканием в кондукторе, воздействуя инструментом на порошок.

Для повышения эффективности процесса восстановления напрессовку и раздачу осуществляют инструментом, выполненным из материала с эффектом памяти формы, путем нагрева его до температуры обратного мартенситного превращения.

Для исключения последующей после восстановления механической обработки наружной поверхности втулки внутренний диаметр кондуктора выполняют соответствующим номинальному наружному диаметру втулки.

Предлагаемый способ значительно упрощает процесс восстановления, повышает его производительность, снижает трудоемкость и энергоемкость, а также позволяет отказаться от сложного, дорогого оборудования и оснастки.

Способ осуществляется следующим образом.

Вначале обрабатывают внутреннюю поверхность втулки растачиванием для удаления следов износа и различных аномальных повреждений поверхности (натиров, задиров и т.п.). Наружную поверхность обрабатывать, как правило, нет необходимости, так как ее износ связан с остаточной пластической деформацией после запрессовки в корпус и потерей натяга. Однако, если она имеет существенные повреждения в виде задиров и следов схватывания, то механическая обработка необходима.

После механической обработки втулку помещают вкондуктор, а внутрь устанавливают инструмент в виде полого цилиндра, выполненного из материала с обратимым эффектом запоминания формы, например, никелида титана.

Выполнение обоймы из материала, обладающего обратимым эффектом запоминания формы, обеспечивает значительное изменение размеров и степени деформации при нагреве и охлаждении его выше и ниже интервала температур мартенситного превращения, что позволяет иметь очень простой и удобный силовой термочуствительный инструмент для раздачи (восстановления) втулок. Например, никелид титана (содержащий 54-56% никеля, титан остальное) обладает многократным обратимым эффектом памяти формы при термоциклировании более 10 7 циклов с величиной формоизменения по диаметру 10-15% и максимальным генерированием напряжений при изменении диаметра от нагрева выше 150°С до 60 кг/мм2.

После того, как сборка собрана, в зазор между инструментом и внутренней поверхностью втулки засыпают порошок из материала, соответствующего материалу изношенной рабочей поверхности втулки. Изношенная втулка может быть как цельнометаллической, например, бронзовой, так и биметаллической, например, сталебронзовой.

После этого всю сборку или только инструмент нагревают до температуры 150-200°С (температура обратного мартенситного превращения никелида титана). При нагреве до температуры обратного мартенситного превращения инструмент восстанавливает первоначально заданную при нагреве (400-500°С) форму при изготовлении, т.е. увеличивается в диаметре на 10-15%, в результате чего создает радиальное давление на порошок, а через него на втулку. В результате этого одновременно осуществляется напрессовка порошка и раздача втулки. После охлаждения до комнатной температуры инструмент принимает первоначальную форму и размеры, приданные ему при изготовлении при нормальной температуре. После этого инструмент вынимают из втулки и устанавливают в следующую подготовленную для восстановления втулку.

Втулку с напрессованным порошком подвергают спеканию известным способом. После этого производят механическую обработку внутренней и наружной поверхностей восстановленной втулки.

Чтобы избежать необходимости механической обработки наружной поверхности втулки, внутренний диаметр кондуктора выполняют соответствующим номинальному наружному диаметру втулки с учетом упругого восстановления формы после раздачи.

Пример реализации способа

Восстанавливают внутреннюю и наружную поверхность бронзовой (Бр 010С10) втулки рессорной подвески грузового автомобиля МАЗ 509. Номинальные размеры втулки: внутренний диаметр 55+0,03 мм, наружный - 65+0,06 мм. Износ внутренней поверхности 0,57 мм, наружной - 0,08 мм.

Обрабатывают только внутреннюю поверхность втулки растачиванием до диаметра 53 мм.

Кондуктор изготавливают из стали 45 с внутренним диаметром, соответствующим номинальному наружному диаметру втулки 55+0,05 мм.

Втулку устанавливают в кондуктор, а внутрь ее инструмент, выполненный из никелида титана Т 46 Н 54. В зазор между втулкой и инструментом засыпают порошок бронзы Бр 010С10. Сборку помещают в печь с температурой 150°С и выдерживают 10 мин. После этого сборку охлаждают на воздухе и разбирают. Затем втулку спекают в печи в присутствии водорода при температуре 850°С в течение 2,5 часов. После охлаждения производят расточку внутренней поверхности втулки до номинального значения.

Исследования геометрических и физико-механических свойств восстановленных втулок, а также прочности сцепления показали, что они полностью соответствуют рабочему чертежу детали и ТУ на их изготовление.

В сравнении с известным предлагаемый способ более прост и производителен, имеет меньшую трудоемкость и энергоемкость, а также не требует применения сложного оборудования и оснастки.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ восстановления изношенных втулок подшипников скольжения, включающий загрузку порошка в полость между инструментом и внутренней поверхностью втулки, напрессовку, спекание порошка и радиальную раздачу втулки, отличающийся тем, что напрессовку и раздачу втулки осуществляют одновременно в кондукторе воздействием инструмента на порошок перед спеканием.

. Способ по п.1, отличающийся тем, что напрессовку и раздачу осуществляют инструментом, выполненным из материала с эффектом памяти формы, путем нагрева его до температуры обратного мартенситного превращения.

. Способ по п.1, отличающийся тем, что внутренний диаметр кондуктора выполняют соответствующим номинальному наружному диаметру втулки.

Патент, опубликованный в 2000 году несколькими учёными: Коваль Н.Н.; Толкачев В.С.; Щанин П.М. Его описание представлено ниже[8].

Изобретение относится к технологиям нанесения упрочняющих, защитных и декоративных покрытий на изделия из металла, стекла и керамики для придания им различных функциональных свойств и цветовых оттенков. Изобретение может быть использовано в устройствах для финишной очистки и активации поверхности изделий перед нанесением покрытий и ионного ассистирования в процессе напыления покрытий в вакууме. Получаемые по предлагаемому способу композиционные покрытия могут быть использованы в различных отраслях промышленности для упрочнения деталей, увеличения их коррозионной стойкости и износостойкости.

Известен способ нанесения покрытий на изделия с использованием магнетронного разряда, создающего в атмосфере рабочего реакционноспособного газа потоки плазмы и потоки атомов материала мишени, а также источника с разрядом в скрещенных электрическом и магнитном полях с образованием направленного ионного потока . При таком способе производительность процесса нанесения покрытия, очистку и активацию поверхности изделий обеспечивает ионный источник, и качество покрытий зависит отего параметров: тока разряда (Iр = 3 А) и энергии ионов в потоке плазмы (E = 25 - 700 эВ). Максимальная скорость нанесения покрытий лежит в узкой области давлений 0,1 - 0,3 Па.

Расширить диапазон давлений без потери скорости нанесения покрытий не удается вследствие низкой концентрации плазмы, генерируемой ионным источником и зависящей, в основном, от разрядного тока, который уменьшается с понижением давления вплоть до погасания разряда при давлении < 0,1 Па. С другой стороны, даже при незначительном превышении разрядного тока ионного источника над разрядным током магнетронного источника, составляющим несколько ампер, наблюдается несогласование генерируемого им потока газовых ионов с потоком атомов мишени магнетронного источника. Это ведет к ухудшению качества композиционных покрытий, проявляющемуся в нарушении их стехиометрии и разрыхлении структуры [8]. При увеличении разрядного тока (> 10 А) разряд в ионном источнике переходит из диффузной в контрагированную форму горения с образованием катодного пятна. Такой режим работы является аварийным для ионного источника, т.к. приводит к сильной эрозии его электродов и неконтролируемому запылению подложки. Кроме того, при таком методе обработки очистка и активация поверхности изделий происходит лишь в зоне направленного ионного потока, что не позволяет обрабатывать крупногабаритные детали и изделия сложной формы, а при больших токах разряда в таких системах, вследствие большой величины катодного падения потенциала (до ~ 700 В), происходит распыление материала конструкций узла плазмообразования с последующим запылением поверхности изделия этим материалом, что ухудшает адгезионные свойства покрытия.

Наиболее близким по техническому решению является способ нанесения покрытий в вакууме с большой скоростью роста толщины слоя, основанный на конденсации вещества из плазменной фазы, созданной катодным пятном вакуумной дуги, с бомбардировкой поверхности ионами металла в присутствии реакционноспособного газа. (Метод КИБ) [9].

Важнейшими параметрами такого процесса нанесения покрытий являются количество ионов и атомов материала катода и давление реакционноспособного газа, определяющие основные свойства покрытия - фазовый состав, микротвердость и т.д. Увеличение скорости нанесения композиционных покрытий по методу КИБ возможно за счет увеличения тока дуги. Однако при этом для получения композиционных покрытий стехиометрического состава необходимо увеличить долю реакционноспособного газа, что приводит к повышению давления в камере. При давлении в камере выше, чем 0,1 Па резко падает скорость осаждения покрытий вследствие столкновений молекул распыленного вещества с молекулами рабочего газа и обратной диффузии распыляемого материала к катоду. Финишная подготовка поверхности изделий для получения хорошей адгезии по методу КИБ осуществляется ионами металла, извлекаемыми из плазмы дугового разряда распылителя. Недостатком такой подготовки является то, то на изделия необходимо подавать отрицательный потенциал до 1500 В, т.е. обработке подлежат только электропроводящие изделия. При такой подготовке хорошая адгезия происходит только при нагреве изделий до температуры выше 450°C. Это приводит к отпуску многих инструментальных и конструкционных сталей и потере их объемной прочности. Кроме того, при таком способе финишной подготовки не исключается подпыление поверхности изделий материалом мишени, что в некоторых случаях является недопустимым.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение скорости нанесения композиционного покрытия, улучшение его качества и увеличение адгезии покрытий на изделиях из металла, стекла и керамики больших габаритов и сложной формы.

Указанный технический результат достигается тем, что нанесение покрытий на изделия в вакууме производят по способу, включающему распыление катодной мишени дуговым разрядом и осаждение получаемого потока на изделия с одновременным воздействием на изделия плазмой реакционноспособного газа, создаваемой согласно изобретению несамостоятельным дуговым разрядом с накаленным катодом при давлении рабочих газов от 0,01 Па до 5 Па и токе разряда от 10 А до 300 А, которая равномерно заполняет вакуумный объем с концентрацией 1010 - 1011 частиц/см3 и однородно воздействует на помещенные в нее обрабатываемые изделия сложной формы.

Кроме того, поверхность изделий перед нанесением покрытий очищают и активируют ионами плазмы генератора с термоэмиссионным катодом. Использование термоэмиссионного катода позволяет за счет изменения его эмиссии контролировать ток разряда в широком диапазоне от 10 А до 300 А, реализуя режим несамостоятельного дугового разряда без катодного пятна при низких давлениях. Такой разряд генерирует плазму с минимальными примесями вещества катода, что весьма важно при использовании его для очистки и активации поверхности изделий, и исключает недостатки, присущие способу обработки с применением источника плазмы на основе разрядов в скрещенных электрическом и магнитном полях.

Нижний рабочий предел по току несамостоятельной дуги  10 А характерен для области предельно низких давлений напускаемого газа P 0,01 Па и связан с неустойчивостью зажигания и горения разряда вследствие уменьшения столкновений и соответствующего уменьшения вероятности ионизации электронами молекул рабочего газа, что является основным фактором устойчивого существования несамостоятельной дуги. Верхний рабочий предел по току 300 А связан с увеличением вероятности перехода к самостоятельному дуговому разряду с образованием катодного пятна, которое вызывает значительную эрозию электродов разрядной системы.

Рабочий диапазон предлагаемого способа по давлению напускаемого в систему газа связан с одной стороны условиями зажигания и устойчивого горения несамостоятельного дугового разряда P 0,01 Па, а с др. стороны P 5 Па падением скорости напыления покрытий вследствие существенного влияния столкновений и рассеяния атомов распыляемого вещества мишени на молекулах и атомах напускаемого газа.

Напуск реакционного газа через генератор на основе несамостоятельного дугового разряда позволяет получать плазму с высокой степенью ионизации и относительно высокой температурой электронов при низком давлении. Полученная плазма, взаимодействуя с плазмой дугового распылителя, создает повышенную концентрацию ионов и возбужденных атомов газа и металла. Процентное содержание ионов и атомов реакционноспособного газа вблизи поверхности изделий регулируется независимо и в широких пределах за счет изменения тока несамостоятельного разряда без изменения давления. Это дает возможность контролировать процесс роста покрытия и его стехиометрию, повысить ток дугового распылителя в несколько раз по сравнению со способом - прототипом, увеличить скорость нанесения покрытий в 2,5 раза и улучшить его качество.

Перед нанесением покрытий поверхность изделий очищают и активируют ионами плазмы несамостоятельного дугового разряда, которые, ускоряясь до энергии (5 - 7) к Tе в пристеночном слое пространственного заряда у поверхности изделий, активно ее бомбардируют. Причем, т.к. толщина пристеночного слоя при концентрации плазмы 1010 - 1011 см3, характерных для предлагаемого способа обработки, составляет доли миллиметра, а достигаемая однородность ее распределения в зоне обработки не хуже 20% от среднего значения, то обработка изделий сложной формы происходит эффективно и однородно со всех сторон.

Как показали исследования, скорость травления поверхности неподвижных образцов из стекла, находящихся на расстоянии 220 мм от плазмогенератора при токе несамостоятельного дугового разряда 100 А, составляет 1 мкм/час, а образцов из нержавеющей стали 12Х18Н10Т - 0,3 мкм/час без подачи смещения. Если на образец из стали подавалось отрицательное смещение - 1000 В, то скорость травления его поверхности возрастала до 2 мкм/час.

Экспериментально измеренная скорость напыления TiN на неподвижный образец из нержавеющей стали, расположенный на расстоянии 220 мм от катода дугового испарителя, составляла 30 мкм/час при токе дугового испарителя 150 А и токе разряда плазмогенератора 50 А. При этом достигалось согласование скорости распыления катодной мишени дуговым разрядом, т.е. поставки к напыляемой поверхности ионов и атомов металла и скорости генерации ионов реакционноспособного газа, необходимого для синтеза композита TiN по составу и свойствам близкого к стехиометрическому составу. В промышленных напылительных технологических установках нанесение покрытий осуществляется одновременно на несколько деталей, расположенных на вращающемся столе, поэтому увеличение скорости травления, улучшение однородности финишной обработки и повышение скорости напыления композиционных покрытий на поверхность является необходимым условием для повышения производительности реального технологического процесса.

Проведенные методом просвечивающей электронной микроскопии исследования микроструктуры полученных покрытий свидетельствуют о том, что осуществляемая одновременно с формированием покрытий TiN обработка поверхности плотной низкотемпературной газоразрядной плазмой препятствует формированию высокоэнергетического структурного состояния, резко снижает плотность дефектов (дислокаций, дисклинаций) в образующихся субмикрокристаллитах и уровень внутренних напряжений, формирующихся в процессе роста покрытий. Полученные предлагаемым способом покрытия TiN имели состав, близкий к стехиометрическому составу. Все эти факторы способствуют улучшению служебных характеристик покрытия: повышению твердости, увеличению износостойкости и коррозионной стойкости.

Испытания адгезионных свойств образцов с покрытиями, полученными предлагаемым способом, показали, что отрыв покрытия от изделия происходит при усилиях свыше 150 кг/см2, что в 2 - 3 раза выше, чем после обработки по способу-прототипу.

Предлагаемый способ был реализован также в технологическом цикле, с использованием специально разработанной высокопроизводительной вакуумной ионно-плазменной установки для нанесения защитно-декоративных покрытий на объемные изделия сложной формы. За один технологический цикл продолжительностью 70 - 90 минут на этой установке наносятся покрытия типа TiN или TiOx на 180 шт. изделий из металла, стекла или керамики размерами ~ 10 х 10 х 10 см3 сложной формы (посуда, фурнитура, бижутерия, культовые предметы и т.д.) с хорошим качеством и высокой адгезией покрытий на изделиях.

Таким образом, предлагаемый способ нанесения покрытий позволяет получать качественные покрытия на изделиях сложной формы из металла, стекла и керамики со скоростью напыления до 15 нм/с и с адгезионной прочностью ~ более 150 кг/см2, что в 2 - 3 раза выше значений аналогичных параметров, получаемых при использовании способа-прототипа.

·        Рассмотрим патент, опубликованный позднее, в 2008 году уже рассматриваемым ученым: Вашковцевым Виктором Владимировичем, в котором говорится, об упрочнении или восстановлении рабочих поверхностей деталей. Его описание приведено ниже[12].

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ

Изобретение относится к способам упрочнения или восстановления рабочих поверхностей деталей, преимущественно шеек валов, втулок подшипников скольжения, посадочных отверстий корпусных деталей, и может быть использовано в различных отраслях машиностроения.

Известен способ восстановления изношенных шеек валов, включающий механическую обработку поверхности шейки, нанесение на нее клеевой композиции, установку оболочки, прижатие ее к поверхности и термическую обработку в процессе взаимодействия клеевой композиции с сопряженными поверхностями шейки и оболочки (SU 1734957, В23Р 6/00, 23.05.92.Бюл. №19).

Недостатком этого способа является слабое усилие прижатия оболочки к поверхности шейки посредством хомутиков, которые ослабляют это усилие при нагреве, и поэтому имеет место недостаточная прочность соединения.

В качестве ближайшего аналога выбран способ восстановления изношенной поверхности детали, включающий механическую обработку поверхности, нанесение на нее клеевой композиции, установку на поверхность втулки и прижатие ее к поверхности путем деформирующей раскатки до требуемого размера (SU 632533 А1, кл. В23Р 7/00, опубл. 15.11.1978, Бюл. №42).

Недостатком способа является его высокая трудоемкость и длительность процесса восстановления, связанная с невозможностью объединения процесса отверждения клеевой композиции путем нагрева и деформирования. Деформирование втулки до затвердевания клея может привести к ее проворачиванию, что ухудшит качество соединения. Кроме этого, способ предполагает использование в качестве деформирующих инструментов, например, для восстановления отверстий жестких раскатников, имеющих малый диапазон диаметров обрабатываемых отверстий, что повышает трудоемкость способа, связанную с необходимостью изготовления под каждый диаметр отверстия нового сложного в изготовлении инструмента, а кроме этого для приведения его в действие необходим специальный станок.

Технической задачей, на решение которой направлено заявленное техническое решение, является снижение трудоемкости и упрощение технологии упрочнения или восстановления рабочих поверхностей деталей посредством установки втулок, а также повышение надежности их соединения за счет более высокой степени деформации втулки в процессе ее прижатия к обрабатываемой поверхности.

Указанная техническая задача решается тем, что в способе упрочнения или восстановления рабочих поверхностей деталей типа вал или втулка или посадочных отверстий крпусных деталей, включающем механическую обработку поверхности, нанесение на нее соединяющего вещества, установку втулки и прижатие ее к поверхности путем деформирования инструментом, в отличие от прототипа, прижатие осуществляют инструментом в виде втулки из материала с эффектом запоминания формы, которую устанавливают на поверхность втулки, после чего сборку или инструмент нагревают до температуры обратного мартенситного превращения материала инструмента, при этом соединяющее вещество выбирают с температурой взаимодействия с сопряженными поверхностями, не превышающей эту температуру. В качестве материала с эффектом запоминания формы используют никелид титана.

Предлагаемый способ значительно упрощает и снижает трудоемкость процесса упрочнения или восстановления поверхностей деталей, т.к. процесс деформирования втулки осуществляется по всей ее поверхности одновременно с процессом взаимодействия соединяющего вещества под действием температуры обратного мартенситного превращения материала инструмента. При этом реактивное напряжение на поверхность втулки в зависимости от разрешаемой ее деформации может превышать 450 МПа. Такое высокое давление деформирования втулки обеспечивает минимальный зазор в сопряжении, что обеспечивает более надежное соединение втулки с поверхностью детали.

Способ осуществляется следующим способом.

Поверхность, подлежащую упрочнению или восстановлению (шейки вала, втулки, посадочного отверстия и т.п. детали), подвергают механической обработке (точением, шлифованием, зачисткой наждачной шкуркой и др. способами).

Изготавливают втулку и инструмент из материала с эффектом запоминания формы, например, никелида титана (ТН-1) или другого сплава. Причем инструмент также выполняют в виде втулки по длине, равной или несколько большей устанавливаемой на деталь втулки, а его посадочный диаметр выбирают из соотношения:

И=dВТ± ,

где dВТ - посадочный диаметр втулки;

- зазор между посадочными диаметрами втулки и инструментом;

=(0,001-0,0015)dВТ.

Знак (+) применяют, когда инструмент устанавливается на наружную поверхность втулки, а (-) - на внутреннюю.

После механической обработки инструмент подвергают термоциклированию по определенному режиму для получения в нем наведенной деформации, обеспечивающей обратимый эффект запоминания формы.

Когда подготовка закончена, на поверхность одной или обеих деталей наносят соединяющее вещество, в качестве которого могут быть использованы различные клеевые композиции или вещества с температурой взаимодействия, не превышающей температуру обратного мартенситного превращения материала инструмента, например низкотемпературные припои. Затем втулка устанавливается на поверхность детали, а на ее поверхность (внутреннюю или наружную) - инструмент. Затем инструмент или всю сборку нагревают до температуры обратного мартенситного превращения и осуществляют изотермическую выдержку в течение времени, необходимого для окончания взаимодействия соединяющего вещества с поверхностями детали и втулки. После охлаждения инструмент демонтируют, после чего процесс упрочнения или восстановления завершен.

Апробация на практике предлагаемого способа для упрочнения и восстановления различных деталей показала его простоту, высокую эффективность и надежность. Так испытания на прочность посадки втулки показали, что напряжения сдвига, в зависимости от типа применяемого соединяющего вещества, составляют 20-40 МПа, что превышает результаты, достигаемые известными способами. Причем предлагаемый способ обеспечивает прочное и надежное соединение упрочняемой или восстанавливаемой поверхности детали как с помощью цельнометаллической, так и разрезной свертной втулки, а также выполненной в виде двух полувкладышей.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ упрочнения или восстановления рабочих поверхностей деталей типа вал или втулка или поверхностей посадочных отверстий корпусных деталей, включающий механическую обработку поверхности детали, нанесение на нее соединяющего вещества, установку втулки и прижатие ее к поверхности детали путем деформирования инструментом, отличающийся тем, что прижатие осуществляют инструментом в виде втулки из материала с эффектом запоминания формы, которую устанавливают на поверхность втулки, прижимаемой к поверхности детали, после чего полученную сборку или инструмент нагревают до температуры обратного мартенситного превращения материала инструмента, при этом используют соединяющее вещество с температурой взаимодействия с сопряженными поверхностями, не превышающей температуру обратного мартенситного превращения.

. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве материала с эффектом запоминания формы используют никелид титана.

·        Патент опубликованный, в 1996 году другими учёными: Рабинович А.И., Перельман О.М., Дорогокупец Г.Л., Куприн П.Б., Мельников М.Ю.,изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам получения составных сложнопрофильных изделий, содержащих детали из порошкового материала. Его описание приведено ниже[13].

Известны способы получения составных сложнопрофильных порошковых изделий, предусматривающие раздельное формование деталей изделия, сборку деталей и их последующее соединение. По одному из способов соединение деталей осуществляют путем их горячего прессования через промежуточный порошкообразный слой.

Недостаткaми этого способа являются трудоемкость и сложность технологии получения изделий.

Известен способ соединения деталей путем пайки через пастообразный припой, наносимый на соединяемые поверхности деталей перед сборкой (Лашко С.В. Лашко М.Ф. Пайка металлов.М. Машиностроение, 1988, с.17-18).

Недостатком этого способа является большая площадь непропаев, вызванных как отсосом припоя в поры изделия, так и неравномерностью зазоров в составном изделии из-за коробления сложнопрофильных деталей при их предварительном спекании. Это ухудшает прочность изделия. Кроме того наличие припоя в зоне соединения создает химическую неоднородность и затрудняет проведение равномерной пропитки изделия медью, что снижает коррозионную и эрозионную стойкость материала деталей.

Наиболее близким к предлагаемому является способ изготовления составных порошковых изделий, включающий раздельное формование деталей из шихты на основе железа, сборку заготовок деталей через промежуточный слой на основе меди и совместное диффузионное спекание По этому способу вначале раздельно формуют и прессуют детали из порошков на основе железа и заготовку связующего материала (промежуточный слой) из порошка на основе меди с добавлением смеси порошков никеля и титана. Укладывают промежуточный слой между составными деталями и спекают в вакууме.

Недостатками известного способа являются низкая точность изготовления изделий, так как толщина промежуточного слоя должна быть не менее 1 мм и в процессе спекания этот слой имеет большую усадку; сложность технологии получения изделий вследствие необходимости закрепления деталей при спекании, а также применения вакуумного спекания; ограниченные технологические возможности, так как способ не обеспечивает получения изделий, имеющих охватывающие соединения деталей; неоднородность получаемых изделий по химическому составу.

Цель изобретения обеспечение таких условий спекания, при которых достигалось бы заполнение пор промежуточного слоя медью (медным сплавом) за счет ее перетекания из объема деталей под действием капиллярных сил.

Цель достигается тем, что при изготовлении составных изделий, включающем раздельное прессование деталей изделия, их сборку через промежуточный слой и совместное диффузионное спекание, в процессе которого заполняют место соединения деталей медью (медным сплавом), в шихту, из которой прессуют детали, вводят порошок меди (медного сплава) в количестве большем, чем предел ее растворимости в материале деталей, а промежуточный слой перед сборкой наносят на соединяемые поверхности деталей в виде суспензии мелкодисперсного порошка на основе железа.

Преимущество предлагаемого способа заключается в том, что за счет образования между двумя соединяемыми поверхностями мелкопористого слоя происходит в процессе спекания перетекание жидкой фазы (меди) из объема деталей в зону соединения, так как капиллярный потенциал этой зоны выше. Это обеспечивает прочное соединение и высокую точность изготовления изделий, так как промежуточный слой (слой суспензии) достаточно тонкий и усадка минимальна. Так как объем вновь заполняемых медью зон мал по сравнению с общим ее количеством, находящимся в соединяемых деталях, то плотность последних в процессе спекания практически не изменится и, следовательно, величина и распределение пористости в них будут такими же, как в исходных прессовках, т.е. достаточно равномерными. Кроме того способ позволяет упростить технологию получения изделий и расширить технологические возможности за счет получения изделий с охватывающими соединениями деталей.

На чертеже показаны части (детали) изделия перед сборкой. Поверхности деталей, на которые наносят суспензию металлического порошка, выделены толстыми линиями.

Направляющий аппарат погружного насоса содержит стакан 1, крышку с лопатками 2 и втулку 3.

На гидравлическом прессе из смеси состава, мас. медный порошок (марки ПМС-1) 15; графит (марки С1) 1; железо (марки ПЖР) остальное двухсторонним прессованием раздельно сформовали стакан 1, крышку с лопатками 2 и втулку 3 направляющего аппарата погружного насоса. Перед сборкой на соединяемые торцовые поверхности между стаканом 1 и крышкой с лопатками 2 и на охватывающие поверхности между крышкой 2 и втулкой 3 методом шликерного литья нанесли суспензию мелкодисперсного порошка на основе железа (марки Р-10). Детали собрали, провели сушку шликера при комнатной температуре в течение 24 ч, уложили собранные изделия в контейнер, заполнили оставшийся объем контейнера засыпкой, содержащей 99% окиси алюминия и 1% графита. Далее провели спекание в среде водорода при 1150оС в течение 2 ч.

Прочность на разрыв полученного в данных условиях торцового соединения составила 250-300 МПа.

Усилие, необходимое для распрессовки втулки от крышки с лопатками, после спекания составило 30 кН при площади контакта 580 мм2.

Коробление аппарата и отслоение лопаток от стакана и втулки от крышки не наблюдается.

Предлагаемый способ осуществим также при изготовлении изделий, содержащих кроме порошковых деталей детали из компактных материалов, например, изготовленных методом литья. В качестве материала для пропитки порошковых деталей могут быть использованы сплавы на основе меди, например бронза, латунь и др.

Настоящее изобретение наилучшим образом может быть использовано для изготовления методами порошковой металлургии составных сложнопрофильных изделий, например рабочих органов погружных насосов и блоков звездочек для цепных передач.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ изготовлениясоставных изделий, включающий раздельное прессование деталей изделия из шихты на основе железа, сборку деталей через промежуточный слой и совместное диффузионное спекание, отличающийся тем, что прессование деталей осуществляют из шихты на основе железа, содержащей медь или медный сплав в количестве, превышающем предел ее растворимости в материале деталей, а промежуточный слой перед сборкой наносят на соединяемые поверхности в виде суспензии мелкодисперсного порошка на основе железа.

·        Рассмотрим патент, опубликованный, в 2008 году учёным: Вашковцевым В.В., в котором говорится, о нанесении покрытий из металлических порошков на цилиндрические детали. Его описание приведено ниже[14].

Изобретение относится к способам получения рабочих слоев на поверхностях полых цилиндрических деталей и может быть использовано для изготовления биметаллических втулок с покрытием одновременно на внутренней и наружной поверхностях или только на наружной поверхности, а также для восстановления таких деталей. В стенке детали выполняют радиальные каналы, затем помещают в ее полость порошковую шихту. Деталь выполняют по длине меньше длины матрицы и устанавливают ее с заданным радиальным зазором в матрицу посредством торцевых крышек с образованием торцевых воздушных зазоров. Вращают сборку вокруг оси с одновременным нагревом до температуры плавления шихты. В крышках выполняют, по крайней мере, одно отверстие, соединяющее полость матрицы с атмосферой, на радиусе, равном разности радиусов наружной поверхности детали и отверстия. Нагрев прекращают, как только из отверстия начинается выплеск расплавленного металла. Повышают качество покрытия за счет устранения возможного образования воздушных пузырей в наплавленном рабочем слое и исключают брак.

Изобретение относится к способам получения рабочих слоев на поверхностях полых цилиндрических деталей и может быть использовано для изготовления биметаллических втулок с покрытием одновременно на внутренней и наружной поверхностях или только наружной поверхности, а также для восстановления таких деталей.

Известен способ нанесения металлических покрытий на наружную поверхность деталей, включающий загрузку шихты в форму, ее вращение и нагрев, причем вращение формы задают из условия равномерного распределения расплавленного металла по ее поверхности, после чего вводят внутрь формы деталь, а частоту вращения формы замедляют до величины, достаточной для заполнения расплавом зазора между формой и деталью (патент РФ №2193077, опубл. 20.11.2002, Бюл. №23).

 <#"698928.files/image011.gif">

Рис. 1.8 Устройство для напрессовки порошка

Заготовка вставляется в матрицу, при этом внутренняя поверхность заготовки, внутренняя поверхность вставки 6, торец вставки 7 и поверхность стержня 4 определяют размеры камеры засыпки порошка.

Поскольку уплотнение порошка осуществляется в радиальном направлении, радиальный размер камеры засыпки превышает толщину слоя в 1.5.2.5 раза в зависимости от насыпного веса порошка. Высота камеры засыпки также существенно меньше по сравнению с прототипом. Вышесказанное создает более благоприятные условия для засыпки порошка при напрессовывании тонких слоев большой протяженности.

Верхний пуансон 2 крепится к верхнему плунжеру пресса (или к верхней плите пресс - блока) и имеет центральное цилиндрическое отверстие, в которое может входить с зазором нижняя часть стержня. Внутри пуансона размещена тонкостенная вставка 11, которая входит в отверстие пуансона с зазором и удерживается в нижнем положении пружиной 12. Внутренний диаметр вставки превышает диаметр верхней части стержня на 0.05-0.1 мм.

При работе устройства заготовка вставляется в полость матрицы 1, порошок засыпается в камеру засыпки до ее верхней кромки. При ходе плунжера пресса вниз сначала вставка верхнего пуансона 11 входит в полость матрицы и перемещает порошок, в верхней части камеры засыпки частично уплотняя его. Затем верхний пуансон 2 упирается в кромку матрицы 1 и верхний торец детали и увлекает их вниз.

Матрица 1 вместе со вставками 6, 7 и порошок смещаются относительно неподвижного стержня 4. Слой порошка, прилегающий к конической части стержня, перемещается относительно остального порошка в камере засыпки, уплотняя его. Торец верхнего пуансона и вставка 11 удерживают порошок в верхней части камеры засыпки от смещения в момент формирования зоны деформации. При достижении порошком некоторого значения плотности (в зависимости от типа порошка 0.4.0.7 от плотности компактного материала) начинает осуществляться уплотнение порошка в радиальном направлении.

Таким образом, в полости, прилегающей к нижнему торцу втулки, образуется область малой плотности порошка, который уплотняется в конце цикла напрессовки при смещении детали 7 относительно детали 6 после упора ее в кромку неподвижного нижнего пуансона 3 (фиг. 2). В это время центральная часть слоя уплотнена и создает противодавление смещению порошка в нижней части, что приводит к уплотнению слоя.

Применение двух вставок матрицы помимо уплотнения крайней зоны слоя позволяет также избежать входа конической части стержня 4 в цилиндрическую часть вставки 7 (с зазором 30.50 мкм) в момент засыпки порошка и, таким образом, исключить возможность заклинивания порошка между конусом и тонкостенной вставкой.

При подходе кромки вставки верхнего пуансона 11 к конической рабочей части стержня верхний торец стержня упирается в дно вставки 11 и, преодолевая усилие пружины 12, останавливает ее. При дальнейшем движении верхнего пуансона и матрицы вниз, коническая часть стержня уплотняет порошок, прилегающий к кромке наружной втулки, и выталкивает часть порошка за пределы втулки. Положение инструмента, при котором нижняя часть стержня входит в цилиндрическое отверстие верхнего пуансона, является крайним нижним положением матрицы (фиг. 3). После достижения этого положения нагрузка снимается, и верхний пуансон поднимается вверх.

После снятия нагрузки втулка плотно зажата на стержне и матрица или удерживается в нижнем положении за счет сил трения между раздавшейся наружной втулкой и неподвижным стержнем, или поднимается в крайнее верхнее положение, если силы трения между ней и наружной втулкой незначительны (например, при напрессовывании тонких слоев на толстостенную втулку).

В конце цикла напрессовывания нижний пуансон 3 поднимается вверх, упирается в нижнюю кромку внутренней вставки матрицы 7, которая совместно со вставкой 6 стягивает двухслойную втулку со стержня и (в случае, если втулка зажата в матрице) выталкивает втулку из матрицы (фиг. 4).

Далее нижний пуансон опускается вниз, а вставки 6 и 7 под действием пружин занимают исходное положение. Применение пружин для задания положения вставок матрицы также является преимуществом заявляемого устройства по сравнению с прототипом, поскольку облегчает автоматизацию процесса (т.к. не требуется операции приведения вставки в исходное положение).

Процесс холодного прессования композиционных материалов реализуется с использованием прессового оборудования (обычно применяются гидравлические прессы с нагрузкой до 10 тонн) и пресс-формы, общий вид которой представлен на рисунке 2.

Рис.1.9. Схема пресс-формы: 1- матрица; 2- сменная втулка; 3-деталь; 4-покрытие; 5-стержень; 6- нижний и верхний пуансоны; 7-нижнея и верхняя втулки

Пресс-форма (Рис. 1.8.) работает следующим образом: необходимый объем порошковой композиции 4 при помощи воронки засыпается в зазор между стержнем 5, восстанавливаемой деталью 3 и неподвижными втулками 7, запрессованными в корпусе сменной втулки 2, а затем уплотнение ее производится встречным перемещением пуансонов 6 под воздействием давления пресса.

Для изготовления рабочих деталей пресс-инструмента применяют стали марок ХВГ, XI2M, 9ХС, У8, У10, Р9, Р18, Р6М5 и некоторые другие. Детали пресс-инструмента подвергают термической обработке, после которой твердость матрицы должна находиться в пределах 58-62 ВДС, а пуансонов и знаков - 54-58 HRC, Матрицы и пуансоны, изготовленные из легированных и термически обработанных сталей, при прессовании конструкционных изделий на железной основе выдерживают не менее 10 тыс. прессовок. Применение твердосплавных матриц из материалов марки ВК-8 и ВК-15 позволяет повысить износостойкость пресс-инструмента и увеличить съем изделий в 10-15 раз.

Высокий класс чистоты рабочих поверхностей матриц и пунсонов (шероховатость 0,32-0,16) способствует повышению не только износостойкости пресс-инструмента, но и качества поверхностей изготавливаемого изделия. Конструкционные изделия на железной основе в зависимости от марки железного порошка, вида и количества легирующих добавок прессуются при давлениях 8-10 тс/см2 (пористость изделия составляет 14-18%); антифрикционные изделия на железной основе - при давлении 6-8 тс/см2 (пористость 18-25%), а на медной основе - 3-6 тс/см2.

Величина давления прессования изделия не должна превышать 70-80% номинального усилия пресса. Выбор типа пресса обусловлен размерами и площадью прессуемой заготовки, а также необходимостью получения оптимального для данного материала давления.

В настоящее время при изготовлении спеченных изделий применяют как специализированные прессы-автоматыотечественного и зарубежного производства, так и гидравлические прессы общепромышленного производства. После процесса холодного прессования порошков необходимо произвести разборку пресс-формы и выполнить визуальный контроль качества полученного покрытия, если есть сколы на базовой длине его, по краям необходимо произвести допрессовку композиционного материала, снова собрав пресс-форму.

С целью окончательного формирования физико-механических и эксплуатационных свойств покрытия выполняется высокотемпературное спекание композиционных материалов. Спекание спрессованных заготовок является одной из основных технологических операций в порошковой металлургии, обеспечивающих формирование структуры, геометрических размеров и свойств готовых изделий. Температура и время спекания зависят от химического состава материала, конструктивных особенностей детали и условий ее эксплуатации. Как правило, температура спекания изделий конструкционного назначения на основе железа с легирующими добавками графита, меди, никеля колеблется в диапазоне 1100- 1200° С. Температура спекания изделий антифрикционного назначения на основе железа с 3% графита составляет 1030-1050° С, а на основе бронзы -800- 950° С. Общее время нагрева деталей до температуры спекания зависит от конструкционных особенностей применяемого оборудования, а время их выдержки (после полного прогрева и выравнивания температуры по объему загруженных деталей) при этой температуре в большинстве случаев подбирается экспериментально.

В промышленной практика для спекания изделий на основе железа применяются печи периодического и непрерывного действия.

Для обеспечения высокого качества спеченных конструкционных изделий печи периодического действия (шахтные, камерные, колпаковые электрические печи сопротивления с нихромовыми нагревателями) должны удовлетворять следующим основным требованиям:

обеспечивать перепады температуры по объему рабочего пространства печи в пределах допуска температуры спекания данного материала;

иметь достаточную герметичность рабочего пространства или возможность установки герметичного контейнера, дабы обработку материала проводить в защитной газовой атмосфере.

К режимам нанесения покрытия применительно к стандартной детали относятся: давление прессования Р= 475…500 МН/м2, температура спекания Т= 1100…1150°С, время выдержки при температуре спекания t = 2,27…2,38 часа, при обеспечении шероховатости внутренней поверхности детали Rz= 150…160 мкм. При этих режимах достигаются высокие эксплуатационные показатели надежности получаемых покрытий, а именно прочность сцепления покрытия с основой составила tсц= 60…80 МПа, износостойкость шарнирных сопряжений I = 110…115 ч/мм.

Анализ физико-механических свойств композиционных покрытий показал, что микроструктура характеризуется наличием переходной зоны, обеспечивающей прочность сцепления покрытия с основным материалом tсц= 50…80 МПа, твердость его зависит от термодеформационного цикла спекания и изменяется по длине L и толщине h покрытия в пределах НВ = 150…180, микротвердость покрытий HV практически не изменяется по объему за исключением переходной зоны и варьирует в пределах HV =1550…1600 МПа, плотность покрытий изменяется в пределах r = 6,20…6,60 г/см3, пористость П = 16…22%.

Применение порошковых композиционных материалов обладает рядом существенных преимуществ по сравнению с традиционными способами наплавки, напыления и др.

1. Способ относится к экологически чистым и безотходным технологиям ремонта деталей машин, так как практически весь композиционный материал, используемый при нанесении покрытий переходит в основной.

2. Не требуется последующего проведения термической и механической обработки после нанесения покрытия.

3. Благодаря возможности использовать различные порошки в составе композиционных материалов можно получить покрытия с различными физико-механическими свойствами.

Основным недостатком применения композиционных материалов является низкая прочность сцепления покрытия с основой t = 50…80 МПа, что весьма ограничивает применение способа к восстановлению тяжелонагруженных деталей машин.

ГЛАВА 2 Экспериментальная часть

В качестве исходных материалов мы использовали:

·  АНС.100.29

·        ЖГр07Д25

·        ЖГр05Д18

АНС 100.29 - химически чистый железный порошок, распыленный водой. Имеет высокую прессуемость. Рекомендуется использовать для изготовления деталей со средней или высокой плотностью. При массовом производстве однократным прессованием можно получить плотность до 7.1 г/см3. Благодаря развитой форме поверхности частицы прочность прессовки достаточно высока, что позволяет изготавливать изделия сложной формы.[10]

Рис. 2.1 Изображение порошка АНС.100.29

2.1 Характеристики порошка АНС100.29

Гранулометрический состав, % Табл. 2.1

Прессуемость, г/см3 Табл. 2.2

Прочность прессовки, Н/мм2 Табл. 2.3

Химический состав, % Табл. 2.4

Насыпная плотность риас (г/см3) - это масса единицы объема порошка при свободной насыпке, представляющая собой его объемную характеристику. Она тем больше, чем крупнее и более правильной формы частицы порошка и чем больше их пикнометрическая (истинная) плотность.

Наличие и неровностей на поверхности частиц, а также увеличение поверхности в связи с уменьшением размера частиц повышают межчастичное трение, что затрудняет их перемещение относительно друг друга и приводит к снижению насыпной плотности порошка. Существенное значение имеет гранулометрический состав порошка, особенно при наличии в нем тонких фракций, т.е. частиц достаточно малого размера; с увеличением их содержания, как правило, уменьшается насыпная плотность порошка из-за возрастания поверхности трения, однако при большой разнице в размерах мелких и более крупных частиц насыпная плотность порошка может возрасти из-за заполнения мелкими частицами промежутков между крупными частицами.

По данным была построена кривая уплотняемости:

Рис. 2.3 Зависимость плотности от давления прессовки для АНС 100.29

При анализе порошок полностью заполняет мерный стакан. Избыточное количество порошка должно быть удалено одноразовым движением пластины из алюминия, повернутой ребром к верхнему торцу стакана. Затем взвешивают стакан с порошком на весах с погрешностью до 0,05 г. Испытание проводят 3 раза и берут среднее арифметическое из его результатов. Частное от деления массы порошка в стакане на его известный объем выражает насыпную плотность порошка

где m1 - масса стакана, г; m2-масса стакана с порошком, г; V - объем стакана, см3.

Определяя насыпную плотность порошка АНС 100.29:ст=15,64г d=2.55cм h=3.9см Vcтак=3,14*2,552*3,94= 19,1 см3

p=m/V [г/см3];

Табл. 2.5

Далее железный порошок марки АНС. 100.29 подвергался прессованию в матрице. В результате были получены следующие данные:

Табл. 2.6

2.2 Построение кривой уплотняемости для порошка ЖГр07Д25

Для построения кривой уплотняемости порошка ЖГр07Д25 порошок прессовали в цилиндрической пресс-форме при разных давлениях, заранее определив насыпную плотность порошка ρ = 3,186 г/см3.

Результаты эксперимента Таблица 2.7

Рис. 2.4 Кривая уплотняемости порошка ЖГр 07Д25

2.3 Сыпучесть(текучесть) порошков

Сыпучесть (текучесть) - величина, характеризующая способность порошка перемещаться (вытекать из отверстия) с определенной скоростью.

Текучесть порошка - сложная комплексная характеристика, зависящая от многих факторов (плотности и размера частиц, гранулометрического состава порошка, формы и состояния поверхности частиц); основным фактором является трение и сцепление частиц между собой, затрудняющие их взаимное перемещение. Текучесть выражают числом секунд, за которое 50 г порошка вытекает через калиброванное отверстие диаметром 2,5 мм конусной воронки.

Суть опыта в том, что лабораторную пробу порошка засыпают в воронку, выходное отверстие которой закрывают пальцем. Открывают калиброванное отверстие воронки и одновременно включают секундомер. Как только последние частицы порошка выпадут из отверстия, секундомер останавливают. Текучесть порошка определяют как средняя арифметическая продолжительность истечения лабораторной пробы порошка, кг/с. Чем длительнее истечение анализируемой пробы через калиброванное отверстие воронки, тем хуже текучесть порошка, и наоборот.

Текучесть обычно уменьшается при увеличении удельной поверхности и шероховатости частиц, а также усложнении их формы, так как при этом затрудняется относительное перемещение частиц. Окисление в большинстве случаев повышает (улучшает) текучесть порошка в связи с уменьшением коэффициента межчастичного трения и сглаживания рельефа поверхности частиц. Значительно понижает текучесть порошка его влажность.

Масса образцов порошков равна 50 грамм. Диаметр конусной воронки 2,5 мм. Теперь найдем текучесть для каждого порошка,

t -это средняя арифметическая продолжительность истечения лабораторной пробы порошка.

τ - сыпучесть (текучесть) порошка, определяемая по формуле:

, г/с

В ходе эксперимента были получены следующие результаты, приведённые в таблице 2.12:

Табл. 2.12

Средняя сыпучесть составит:

а) для порошка ЖГр07Д25: τ = 1.77 г/с.

б) для порошка АНС.100.29: τ = 2,03г/с;

Порошок фирмы АНС 100.29 Hoganus обладает лучшей текучестью чем другой порошок ЖГр07Д25. ЖГр07Д25 обладает схожей между собой текучестью и, в среднем, время его истечения через отверстие воронки на 5 секунд больше, чем у порошка АНС 100.29. Для порошка ЖГр07Д25 это можно объяснить наличием смазки.

2.4 Расчеты плотности и пористости при различных давлениях прессования порошка ЖГр07Д25

)        Усилие 2,8Tc =  = 129,63МПа

Табл. 2.8

Плотность образца:

Пористость образца:

2)      Усилие 3,6Tc = 166,67МПа

Табл. 2.9

Плотность образца:

Пористость образца:

3)      Усилие 4,4Tc = 203,7МПа

Табл. 2.10

Плотность образца:

Пористость образца:

4)      Усилие 5,2Тс = 240,7МПа

Табл. 2.11

Плотность образца:

Пористость образца:

Рис. 2.5 Зависимость плотности от давления

Рис. 2.6 Зависимость пористости от давления

2.5 Методы испытаний на прочность сцепления покрытия с основой

Необходимым условием обеспечения долговечности и стабильности конструкций с покрытиями в условиях ударных воздействий является наличие высокой адгезионной прочности или прочности сцепления покрытия с восстанавливаемой поверхностью основного материала.

Прочность сцепления нанесенного покрытия с основой является одним из основных критериев, позволяющих определить область применения и эксплуатационные характеристики восстанавливаемой детали. При определении характера зависимости параметра прочности сцепления от технологических режимов необходимо получить его количественную оценку.

В настоящее время известно множество методов оценки прочности сцепления покрытия с основным материалом. Среди них испытания на сдвиг, срез, смятие, кручение, динамические испытания и так далее.

Самое широкое распространение среди наиболее известных методов оценки прочности сцепления покрытия с основой получил метод испытания на сдвиг, схема которого представлена на рисунке 2.7.

1- пуансон, 2 - образец, 3 - покрытие

Рис.2.7. Схема испытаний на прочность сцепления покрытия с основой

Физическая сущность данного метода испытаний на адгезионную прочность сцепления покрытия с основой заключается в том, что на поверхность покрытия воздействует возрастающая нагрузка до момента его отрыва от основного материала. Зная значение нагрузки, при которой произошел отрыв покрытия от основы и соответственно площадь контакта покрытия с основным материалом, определяют величину напряжений в зоне их сопряжения.

Сравнивая полученное значение напряжений с предельно-допустимой их величиной для данного типа сопряжения делают заключение о прочности сцепления исследуемого покрытия с основой.

Проведение испытаний на адгезионную прочность сцепления осуществляли на разрывной машине MeasuringRange 5 Tons с точностью определения прикладываемой нагрузки ± 10 кг, для аналогичных испытаний можно использовать также гидравлические, пневматические и электрические прессы, оснащенные контрольно-измерительной аппаратурой, (динамометрами).

2.6 Исследование физико-механических свойств материалов

Структура материала определяет его физико-механические и эксплуатационные свойства, поэтому характеристика материала детали обязательно включает описание его структуры, даже если выдержаны заданные химический состав и технология изготовления. Наносимые покрытия изготавливались из трех современных композиционных материалов: АНС.100.29, ЖГр05Д18 и ЖГр07Д25.

Технология нанесения покрытия включает в себя подготовку порошка, прессование и спекание.

Исследуемые образцы покрытий получены при следующих технологических режимах: исходная шероховатость поверхности Rz1=160 мкм, для гладкой поверхности, Rz2=400 мкм, для грубой поверхности, температура спекания Т=1000-1150°С, время выдержки при температуре спекания tв=2-4 часа, защитная среда - диссоциированный аммиак.

2.7 Микроструктура спеченного покрытия

Анализ микроструктуры спеченного покрытия проведен с целью определения влияния термодеформационного цикла спекания в зоне соединения покрытия с основным металлом. Приготовления шлифов осуществлялось следующим образом: втулка с нанесенным покрытием разрезалась по оси вращения при обильном охлаждении; далее поверхность шлифовалась с изменением класса зернистости шлифовальной бумаги; полирование поверхности до зеркального блеска осуществлялось при помощи порошка дисперсностью 1…5 мкм; травление шлифов произведено при 30-ти процентном растворе HNO3 в этиловом спирте.

Анализ микроструктуры производился на оптическом микроскопе Neophot 32 с помощью системы анализа видеоизображений «Видео Тест», предназначенной для проведения преобразований и измерений микро и макрообъектов, слайдов, негативов и фотоснимков. Исследования производили при увеличении микроскопа х500. В ходе анализа были рассмотрены следующие параметры:

Пористость образца (по процентному соотношению площади пор и металла на снимке)

Удлиненность - соотношение длинны поры к ее ширине.

Следует отметить следующее: при добавлении графита пористость повышается. Можно предположить, что это происходит вследствие диффузии графита в железо с образованием пустот, что косвенно доказывается увеличением числа микротвердости у изделий с графитом.

На основе анализа микроструктуры травленых образцов можно сделать вывод о том, что биметалл имеет три зоны: зону основного металла, зону соединения и зону композиционного материала.

Композитная зона покрытия характеризуется наличием карбидных выделений и повышенной твердостью. Это подтверждается резким повышением микротвердости вблизи границы раздела.

Рис. 2.7 Микроструктура материалов

На основе анализа микроструктуры травленых образцов можно сделать вывод о том, что биметалл имеет три зоны: зону основного металла, зону соединения и зону композиционного материала.

Композитная зона покрытия характеризуется наличием карбидных выделений и повышенной твердостью. Это подтверждается резким повышением микротвердости вблизи границы раздела.

В зоне соединения двух слоев происходит перераспределение легирующих элементов. Установлено, что в процессе спекания происходит взаимная диффузия Fe и С в обоих направлениях.

Результатом диффузии является образование переходной зоны, которая обеспечивает прочность соединения слоев и предотвращает отслоение покрытия от втулки в процессе эксплуатации детали.

Кроме того установлено, что поры являются характерной составляющей в структуре покрытия. В исследуемых образцах форма пор самая различная: близкая к окружности, эллипсу, разветвленная. Поры образуются как в результате неполноты контакта частиц металла, так и в результате выгорания отдельных составляющих в исходной шихте.

2.8 Исследование твердости по длине покрытия

Для оценки твердости спеченного покрытия произведены измерения в продольном направлении по методу Роквелла на приборе WOLPERT инв. №8900452/0001.

Исследование твердости по данному методу произведены на базовой длине 30 мм и толщине 2 мм.  При этом определение твердости в каждой исследуемой точке покрытия повторяемость опытов была не менее троекратной.  Вучетом анализа возможностей применения данных приборов измерение твердости для каждого покрытия были произведены в восьми точках: в двух точках, расположенных от краев покрытия на расстоянии 3 мм, и в последующих шести расположенных на расстоянии 3 мм друг от друга.

За твердость образца применялось среднее арифметическое полученных измерений.

По методу Роквелла измерение твердости произведено в соответствии с ГОСТ 9013-83. Твердость измерялась по шкале «В» при испытательных нагрузках: предварительной - 98,07 Н, общей - 980,7 Н. Пределы допускаемой погрешности прибора при проверке его образцовыми мерами твердости составляли ±2,0 в единицах твердости. При этом обеспечивалась шероховатость поверхности не более 10 мкм.

С учетом того, что шероховатость поверхности в месте измерения твердости по данному методу согласно ГОСТ 2789-73 должна быть не более 2,5 мкм, данная поверхность подвергалась шлифованию с последующим полированием на войлочном круге с применением пасты ГОИ.

Результаты проведения исследования по твердости трех исследуемых композиционных материалов сведены в таблицу и представлены на графике:

Рис. 2.8. Зависимость твёрдости от длины покрытия

- ЖГр07Д25;

- ЖГр05Д18;

- АНС.100.29.

В результате проведения данных исследований установлено, что твердость всех исследуемых композиционных материалов повышается по мере отдаления от середины. Это связано с тем, что при двухстороннем прессовании давление на порошок по краям покрытия выше, чем в середине.

Также из данного графика видно, что покрытие из композиционного материала ЖГр07Д25 имеет более высокую твердость, чем остальные.

ГЛАВА 3. Охрана труда

Своеобразие изготовления изделий методами порошковой металлургии обуславливает специальные требования, которые определяются спецификой производства. К таким специфическим особенностям относятся: вредное физиологическое действие порошков и защитных сред, взрывоопасность и пирофорность (способность порошка к самовоспламенению) некоторых порошков, вредное воздействие на человеческий организм шумовых эффектов и сотрясений при выполнении отдельных технологических операций.

Технологический процесс производства порошковых изделий предусматривает предварительное восстановление, прокаливание компонентов шихты в печах, электролиз, размол, дробление, взвешивание и перемешивание, прессование, спекание, механическую и термическую обработку. Основной неблагоприятные фактор производственной среды на всех этапах изготовления порошковых изделий - высокая запыленность воздуха рабочей зоны порошковой пыльюи продуктами разложения, образующимися при спекании.

Токсичность - способность химических веществ в относительно малых количествах вызывать нарушение нормальной жизнедеятельности и приводить к проходящим или стойким патологическим изменениям в организме. У лиц, подвергшихся воздействию токсичной пыли, возникают заболевания органов дыхания, нарушения функций внутренних органов, аллергические заболевания и др.

В обычных условиях многие литые и кованые металлы являются абсолютно безвредными и нетоксичными. В порошковой форме эти же металлы в виде тонкой пыли образуют устойчивые аэрозоли и загрязняют атмосферу. Аэрозоли, попадая в организм человека вместе с воздухом, могут вызывать отравления, необратимые процессы, а также привести к болезненному состоянию органов дыхания, пищеварения и зрения. Характер заболевания человека от металлической пыли зависит от свойств пылевидных металлов, их соединений, от количества пыли в атмосфере, длительности ее воздействия. Большинство токсичных веществ проявляют свое вредное воздействие при попадании внутрь организма. Поведение токсичного вещества в организме зависит от его растворимости в биологических жидкостях, крови и воде. Чем больше растворимость в воде, тем токсичнее вещество.

Проникновение в организм металлической пыли может произойти при вдыхании, заглатывании, через поврежденную кожу. Ингаляционный путь наиболее опасен. Поведение пыли в организме зависит от ее дисперсности. Частицы крупнее 10-12 мкм осаждаются в полости носа. Частицы менее 5 мкм осаждаются в бронхах, и часть проникает во внутренние органы. Отравление, как результат токсичного действия может быть местным, общим, острым или хронически. Во всех случаях возникают нарушения здоровья, поражения и болезни различной тяжести, сопровождающиеся характерными симптомами. При длительной работе в условиях повышенной запыленности чаще развиваются острые респираторные заболевания, бронхиты, а также пневмокониозы. Под влиянием аэрозолей металлов, обладающих выраженным токсическим эффектом (свинца, ртути, марганца), повышается число специфических заболеваний и хронических отравлений.

Задачи производственной вентиляции.

Воздух помещений обычно отличается от наружного, так как в помещениях находятся источники, воздействующие на его химический состав и физическое состояние. В производственных помещениях такими источниками выделения значительных количеств тепла, влаги, ядовитых паров, газов и пыли являются в основном оборудование и технологические процессы. К образованию вредных газов приводит также воздействие на воздушную среду озонирующего и ионизирующего излучения.

Неблагоприятные условия воздушной среды помещений, помимо нарушения здоровья работающих и понижения производительности труда, могут отрицательно влиять на состояние оборудования и строительных конструкции.

Борьба с загрязнением воздуха производственных помещений должна идти в первую очередь по пути совершенствования технологических процессов и производственного оборудования. Это положение может быть пояснено простейшими примерами:

а) Замена вредных элементов процесса менее вредными. При очистке металлических изделий в пескоструйной камере выделяется пыль, содержащая двуокись кремния. Замена песка чугунной дробью уменьшает выделение силикатной пыли и опасность заболевания силикозом. Еще лучшие результаты дает переход на гидравлическую очистку; пыль при этом почти полностью устраняется.

б) Замена открытого процесса закрытым. В помещении находятся кипящие варочные котлы, с открытой поверхности которых испаряется влага. Если закрыть котлы плотными крышками, снабдив их воздушниками для отвода паров в наружную атмосферу, до поступление влаги в помещение значительно сократится.

в) Перевод процесса с повышенного давления на пониженное. Перевод процесса дистилляции (например, смолы) с избыточного давления на разрежение (вакуум) устраняет поступление вредных выделений в помещение через неплотности оборудования и коммуникаций.

г) Механизация процесса. Заменив ручной просев сыпучего материала механическим (например, открытые сита - полигональными), можно значительно уменьшить пылевыделение.

д) Тепловая изоляция агрегатов. Наложив на наружную поверхность печей, имеющую высокую температуру, слой материала, плохо проводящего тепло (или установив у стенок печей экран с воздушной прослойкой), можно добиться понижения температуры поверхности и, следовательно, уменьшения отдачи тепла.

е) Гидро- и парообеспыливание. В закрытое оборудование для дробления, размола и транспорта измельченного материала вводят мелко распыленную воду, а еще лучше - пар. Пылинки, взвешенные в полостях оборудования, смачиваются водой или конденсирующим паром, коагулируют, утяжеляются и оседают.

Общее направление развития новой техники, способствующее оздоровлению воздушной среды и условий труда в целом, лежит на путях перехода к герметизированным непрерывным технологическим процессам с дистанционным управлением и контролем. Значительную роль играет автоматизация производства, позволяющая сократить до минимума число рабочих на производстве и время пребывания их у технологического оборудования.

Токсикологическая характеристика основных химических веществ алюминиевого производства.

Проникновение вредных веществ в организм наиболее вероятно через дыхательные пути - ингаляционно. Значительно реже - через желудочно-кишечный тракт или при непосредственном контакте через кожу (как поврежденную, так и неповрежденную). Поэтому в профилактике профессиональных заболеваний первостепенное значение принадлежит мероприятиям, предупреждающим поступление в воздушную среду вредных примесей. Однако иногда исключить контакт рабочего с вредными веществами невозможно. Поэтому для многих ядовитых паров, газов и аэрозолей утверждены предельно допустимые концентрации, которые могут находиться в воздушной среде рабочей зоны производственного помещения (рабочей зоной считается пространство высотой до 2 м над уровнем пола или площадки, на которой находятся места постоянного или временного пребывания людей). Эти концентрации, установленные на основе многочисленных экспериментальных и клинических исследований, представляют собой такое количество вредных веществ, которое даже при длительном воздействии является для организма безвредным.

Люди, работающие на производстве, зная физические и химические свойства ядов, а, также учитывая возможные пути их поступления в организм, могут тем или иным способом (строгим соблюдением требований гигиены, применением средств индивидуальной защиты и т. д.) обезопасить себя от их вредного влияния. Ниже приведены характеристики и действие на организм человека основных химических веществ, использующихся в производстве алюминия.

Глинозем (окись алюминия) - основное сырье для производства алюминия. Представляет собой однородный мелкокристаллический белый порошок (абразивный, хороший тепло - и электроизолятор). Кроме алюминия и кислорода, в нем имеются следующие примеси:

• кремнезем (соединение кремния с кислородом);

• окись железа (соединение железа с кислородом);

• окиси щелочных металлов (лития, натрия, калия, рубидия, цезия, франция).

От продолжительного контакта с пылью глинозема возможны хронические поражения дыхательных путей и изменения в легких - алюминиевый пневмокониоз (алюминоз легких). Больные алюминозом жалуются на подверженность простудным заболеваниям, приступы кашля, стеснение в груди, колики при дыхании, вялость и нарастающую одышку, расстройство пищеварения, отсутствие аппетита и боли в животе. При прогрессировании заболевания увеличиваются одышка и кашель, возникающие даже при незначительном физическом напряжении. Предельно допустимая концентрация (ПДК) окиси алюминия в виде глинозема в воздухе рабочей зоны составляет 6 мг/м.

Криолит - один из основных компонентов электролита электролизных ванн, представляет собой химическое соединение алюминия (около 12,8%), натрия (до 32,8%) и фтора (до 54,4%), По внешнему виду криолит - мелкокристаллический белый (или слегка сероватый) порошок, комкающийся в руке при сжатии. Криолит токсичен (ядовит) - он ухудшает состав крови. При попадании внутрь организма вызывает тошноту, а при действии значительной дозы криолита возможны тяжелые отравления, сопровождающиеся рвотой. Систематическое вдыхание пыли криолита может привести к острым или хроническим заболеваниям, в частности зубов и костей. ПДК пыли криолита в воздухе рабочей зоны составляет 1 мг/м.

Фтористый алюминий - компонент электролита, представляет собой кристаллическую соль белого или слабо розового цвета, содержащую не менее 31,5% алюминия и около 64,5% фтора. Фтористый алюминий слабо растворим в воде, при нагревании возгоняется (возгонка или сублимация - переход вещества из твёрдого состояния, непосредственно, в газообразное). Его токсичность аналогична токсичности криолита. ПДК пыли фтористого алюминия в воздухе рабочей зоны составляет 1 мг/м.

Фтористый кальций - корректирующая добавка к электролиту, представляет собой бесцветное кристаллическое вещество, практически нерастворимое в воде. Часто применяемый флюоритовый концентрат - продукт обогащения плавикового шпата и содержащий около 54% кальция и 46% фтора, представляет собой прозрачные кристаллы, окрашенные в фиолетовый, голубой и другие цвета. Фтористый кальций ухудшает состав крови, оказывает действие на различные сложные органические вещества белкового характера, играющие важнейшую роль в обмене веществ организма человека. При остром отравлении фтористый кальций существенно действует на центральную нервную систему и желудочно-кишечный тракт, реже на мускулатуру. На кожу и дыхательные пути фтористый кальций местного раздражающего действия не оказывает. ПДК фтористого кальция в воздухе рабочей зоны составляет 1 мг/м3.

Фтористый натрий - компонент электролита, представляет собой кристаллическую соль, содержащую около 55% натрия и 45% фтора. Технический фтористый натрий - белый порошок, очень гигроскопичный (способен поглощать влагу из воздуха), поэтому поставляется в металлических или фанерных барабанах и в плотных сухотарных бочках. Относится к ядовитым веществам. Токсическое действие фтористого натрия аналогично фтористому кальцию. При попадании внутрь организма даже в количестве 16 мг он вызывает у человека тошноту. Доза в 0,25-0,45 г через 2 мин может вызвать тошноту, а также тяжёлые отравления (боли в желудке, рвоту). ПДК пыли фтористого натрия в воздухе рабочей зоны составляет 1 мг/м3.

Фтористый литий - добавка к электролиту, представляет собой белый рыхлый порошок, слабо растворимый в воде. При воздействии на организм человека раздражает легочную ткань. Токсическое действие обусловлено комбинированным действием ионов лития и фтора, причем токсичнее ион фтора. Фторид лития менее токсичен, чем фторид натрия. ПДК пыли фтористого лития (в пересчете на фтористый водород) 1 мг/м3.

Фтористый магний - представляет белый кристаллический порошок, плохо растворимый в воде. Токсичность фтористого магния аналогична фтористому литию. ПДК пыли фтористого магния в воздухе рабочей зоны (в пересчете на фтористый водород) 1 мг/м3.

Фтористый водород - бесцветный газ легче воздуха, хорошо растворимый в воде (при этом получается плавиковая кислота); в смеси с влажным воздухом образует туман. Фтористый водород образуется из электролита, который в электролизёре подвергается термо-, электро- и химическому разложению под действием влаги из сырья и воздуха. Фтористый водород раздражает слизистые оболочки дыхательных путей и глаз. Его длительное воздействие даже небольших концентраций вызывает хроническое отравление у человека, а также отложение фтора в костях и зубах, вызывая впоследствии их заболевание. ПДК фтористого водорода в воздухе рабочей зоны составляет 0,5 мг/м3.

Четырехфтористыйкремний - газообразный производственный отход при электролизе криолитоглиноземного расплава, представляет собой бесцветный газ с удушливым запахом, тяжелее воздуха. Во влажном воздухе образуется густое облако. Разлагается водой с образованием плавиковой и кремниевой кислот. От его действия у человека наблюдается раздражение слизистых оболочек глаз и дыхательных путей, а также изъязвление слизистой носа. Не исключена возможность общего токсического действия, аналогичного воздействию фтористого водорода. ПДК четырехфтористого кремния в воздухе рабочей зоны составляет 0,5 мг/м.

Анодная масса - электродный материал с самообжигающимся анодом. Состоит на 70% из каменноугольного, пекового или нефтяного кокса и на 30% из каменноугольного пека. Используемый в качестве связующего вещества пек состоит в основном из ароматических углеводородов с конденсированными ядрами, некоторые из них являются канцерогенными веществами. Анодная масса - - твердый пористый продукт, черного цвета с темно-серыми блестящими вкраплениями. Начало его размягчения можно наблюдать при температуре 50° С. Продукт текуч при температуре 120-170° С. Дальнейший нагрев приводит к выделению из анодной массы углеводородов, образующих так называемые смолистые вещества. От воздействия пыли анодной массы возможны заболевания легких. При длительном воздействии на организм 3,4-бензпирена, содержащегося в смолистых веществах, могут возникать доброкачественные и злокачественные новообразования. Воздействие разовых больших концентраций смолистых веществ может привести к головокружению, тошноте, рвоте и сухому кашлю. ПДК углеродной пыли из анодной массы в воздухе рабочей зоны составляет 6 мг/м3, летучих пека 0,5 мг/м3, бензпирена 0,00015 мг/м.

Сернистый газ - выделяется в основном при разложении сернистых соединений анодной массы, представляет бесцветный газ с острым запахом, тяжелее воздуха, растворяется в воде, при контакте с влажной поверхностью слизистых оболочек организма человека последовательно образует сернистую и серную кислоты. Газ оказывает сильное местное раздражающее и всасывающее действие, нарушая обменные процессы. Высокие концентрации вызывают воспаление слизистой оболочки верхних дыхательных путей, вследствие чего появляется сухой кашель, раздражение в носу, жжение и боль в горле и в груди человека. При более сильном воздействии возможно поражение легких. ПДК сернистого газа в воздухе рабочей зоны составляет 10 мг/м3.

Окись углерода - образуется в местах, где создаются условия для неполного сгорания углеродсодержащих веществ. В электролизном цехе наличие его обнаруживается в основном у электролизеров и в верхней зоне корпуса. Окись углерода - бесцветный газ, без вкуса и почти без запаха, чрезвычайно ядовит, не обладает раздражающими свойствами, поэтому его присутствие в воздухе производственных помещений не обнаруживается. В смеси с воздухом в определенных пропорциях может взрываться. Газ обладает способностью вытеснять кислород из окиси гемоглобина крови с образованием карбоксигемоглобина, при этом кровь неспособна переносить необходимое количество кислорода из легких к тканям, в результате чего наступает удушье. Степень действия вредного вещества зависит от концентрации газа в воздухе и от длительности его воздействия. В легких случаях наблюдается головная боль, головокружение, шум в ушах, тошнота, общая нарастающая слабость. В некоторых случаях наступает скованность движений, вследствие чего пострадавший не в состоянии сам выйти из отравленной зоны. При острых отравлениях - потеря сознания, судороги. При хроническом отравлении появляются мышечная слабость, быстрая утомляемость, одышка, головные и невралгические боли, расстройство сна, раздражительность. ПДК окиси углерода в воздухе рабочей зоны 20 мг/м3. При длительности работы в атмосфере, содержащей окись углерода, не более 1 ч предельно допустимая концентрация окиси углерода может быть повышена до 50 мг/м, при длительности работы не более 30 мин до 100мг/м, при длительности работы не более 15 мин до 200 мг/м3. Повторные работы в условиях повышенного содержания окиси углерода в воздухе рабочей зоны могут производиться с перерывом не менее 2 ч.

Двуокись углерода- основной компонент анодных газов алюминиевых электролизеров. Это бесцветный газ, практически без запаха с кисловатым вкусом, тяжелее воздуха. При наличии кислорода, он действует как наркотик, при его отсутствии - как удушающий газ. Раздражает кожу и слизистые оболочки. В относительно малых концентрациях возбуждает дыхательный центр, в очень больших - угнетает его. В случае острых отравлений наблюдается головная боль, шум в ушах, сердцебиение, головокружение, обмороки, повышается кровяное давление. Хронических заболеваний газ не вызывает. ПДК двуокиси углерода в воздухе рабочей зоны не предусмотрена.

Скипидар(терпентинное масло) - бесцветная или зеленовато-желтая жидкость с острым характерным запахом. Быстро окисляется кислородом воздуха. Окисляется не только жидкий скипидар, но и его пары. При концентрации 0,73% в воздухе скипидар взрывается от пламени. Температура вспышки скипидара разного происхождения колеблется от 32 до 42° С. В электролизном цехе скипидар применяется в качестве реагента на участке флотации криолита из угольной пены, извести и других твердых производственных отходов. Пары скипидара раздражают глаза и дыхательные пути, а также вначале возбуждают, а затем парализуют центральную нервную систему. Раствор скипидара вызывает раздражение кожи и повышенную её чувствительность. При длительном воздействии вызывает воспалительные заболевания (экземы), особенно при работе с неочищенным, а также старым скипидаром, в котором повышено содержание муравьиной кислоты и других примесей. Темные сорта скипидара действуют сильнее. При высокой концентраций паров возможно головокружение, тошнота, головная боль, учащение пульса (после часового воздействия). ПДК в воздушной среде 300 мг/м3.

Алюминий- легкий светло-серый металл, представляющий готовую продукцию электролизного цеха. Вредные свойства проявляются только в мелкораздробленном виде (порошок, пудра и т. п.). Так, алюминиевая пудра в смеси с воздухом взрывоопасна. Нижний предел взрываем ости (при крупности пылинок до 0,15 мкм) 40-50 г/м. Алюминиевая пудра (пыль) раздражает слизистые оболочки. На слизистой носа могут быть изъязвления, а на месте внедрения пылинок органические воспалительные уплотнения. От действия пылинок возможны специфические поражения кожи:

• воспаление;

• опухоль;

• появление узелков, гнойничков, чешуек и т.д.

Попадание алюминиевых частиц в глаза может привести к очаговым омертвениям, изменению пигментации роговицы, изменению капсулы хрусталика, помутнению стекловидного тела. ПДК пыли алюминия в воздухе рабочей зоны составляет 2 мг/м.

Обобщая токсикологические характеристики рассмотренных химических веществ, следует отметить, что при одновременном воздействии нескольких ядов не исключено изменение их вредных свойств вследствие образования новых химических веществ. Установлено, что при совместном присутствии в воздухе фтористого водорода и фтористых солей токсичность их выше, чем при индивидуально-изолированном действии на организм каждого из них. Наблюдается усиление действия ядов и при наличии в организме человека таких веществ, как алкоголь, который улучшает их всасывание и ускоряет окислительные процессы.

Необходимо учитывать и действие ядов в сочетании с такими факторами, как температура и влажность. Например, чем выше температура в производственном помещении, тем сильнее действие ядовитых веществ. Это обусловлено, с одной стороны, увеличением их летучести, с другой расширением сосудов, усилением кровообращения в организме и лёгкостью проникновения яда через влажную кожу. Опасность отравлений часто увеличивается при повышении влажности воздуха и запыленности помещения. Однако воздействие перечисленных химических веществ можно предупредить, если все работающие в цехе будут строго выполнять профилактические мероприятия санитарно-гигиенического характера.

Классификация предприятий по основным вредным факторам.

Как уже отмечалось выше, основной неблагоприятный фактор производственной среды на всех этапах приготовления порошковых изделий высокая запыленность воздуха рабочей зоны. Предприятия, не которых основным вредным фактором является пыль металлов, можно разделить на две основные группы.

К первой относятся предприятия, на которых пылеобразование связано с выполнением металлургических процессов (предприятия цветной и черной металлургии, электросварочные цеха и т.д.).

Под влиянием высокой температуры возникают пары металлов, которые при низкой температуре остывают, появляются аэрозоли конденсации (в порошковой металлургии при химико-термических операциях). Соединяясь с кислородом, они образуют окислы.

Ко второй группе относятся производства с преобладанием холодной обработки металлов и металлических порошкообразных материалов. Процессы пылеобразования на таких производствах связаны с диспергированием, просевом, транспортировкой, разгрузкой измельченных металлических продуктов. Исходными материалами являются порошки алюминия, железа, меди, титана, циркония, гафния, ниобия, хрома, молибдена, вольфрама и др. металлов.

Наибольшее пылеобразование отмечается в размольно-заготовительном отделении, а также при загрузке и выгрузке порошков и прессовании. Пыль, образующаяся при изготовлении различных порошковых изделий, высокодисперсна. Большинство пылевых частиц имеют размеры 2-3мкм. Следует отметить, что на уровень пыле образования влияют характер используемого оборудования и содержание пластификатора в составе шихты при прессовании. Значительней уровень запыленности отмечается при выполнении производственных операций в термическом отделении.

В механическом отделении основным неблагоприятным фактором производственной среды является пыль металлов. Она образуется вследствие шлифовки готовых изделий, заточки на абразивных кругах идругих операций.

Неудовлетворительное состояние воздушной среды объясняется следующими причинами:

• несовершенством технологического оборудования, процесса;

• отсутствием механизации выполняемых трудовых операций;

• недостаточной герметизацией пылящего оборудования;

• слабой эффективностью илиотсутствием местной вытяжной вентиляции.

Отрицательное действие металлических аэрозолей повышает заболеваемость рабочих с временной утратой трудоспособности. А также является причиной рада профессиональных заболеваний с поражением внутренних органов, и в первую очередь, органов дыхания.

Специфика производства металлических порошков и их негативное воздействие на организм человека. Средства защиты.

В зависимости от степени поражения различных органов и течения патологического процесса металлы можно разделить на три группы.

К первой группе относятся аэрозоли металлов, вызывающие патологические явления преимущественно со стороны органов дыхания (железо, вольфрам, ниобий, золото и др.).

Ко второй группе принадлежат аэрозоли металлов, влияющие на органы дыхания и вызывающие нарушения функции внутренних органов (хром, молибден, титан и др.).

Третью группу составляют металлы, обладающие токсическим эффектом, способные вызвать острые и хронические отравления (ртуть, свинец, марганец, бериллий, барий, стронций, и др.).

В связи с особой вредностью запыленности рабочих помещений металлическими порошками Министерством здравоохранения был разработан ГОСТ 12.1..005- 88 « ССБТ. Общие санитарно - гигиенические требования к воздуху рабочей зоны» и ряд дополнений, которыми предусматриваются предельно допустимые концентрации металлической пыли в воздухе. Поэтому важно создать микроклимат в производственных помещениях, который в значительной степени зависят эффективности термоизоляции наружных поверхностей печей, устройств загрузочных и разгрузочных агрегатов, а также степени охлаждения изделий после спекания и вытяжки выходящих газов из печей. Особенно важен контроль за соблюдением ПДК со стороны санитарно - гигиенической служб предприятий.

Для предупреждения отравления на особо вредных операциях рекомендуется применять индивидуальные средства защиты (маски, противогазы, комбинезоны, специальное обмундирование). Особо эффективно для защиты органов дыхания применение защитных средств типа «Лепесток», задерживающих до 90 ... 95%вредные примесей и респираторов типа ТТТБ-1. Производственные помещения должны подвергаться систематическому контролю на зараженность вредными веществами, а обслуживающему персоналу предусмотрена выдача молока, способствующего нейтрализации вредных веществ в организме. Не рекомендуется хранить и принимать пищу, а также курить на рабочих местах, так как это способствует попаданию порошковых частиц внутрь организма.

Особые свойства дисперсных материалов в сравнении с компактными:

• повышенная химическая активность ввиду высокого развития поверхности;

• склонность к электронизации трением;

• легкость перехода во взвешенное аэрозольное состояние (при работе с такими порошками, возможно, их самонагревание);

• способность внезапно воспламеняться или взрываться.

Исследования при спекании в атмосфере легковоспламеняющихся и

хорошо горящих газов (водорода, диссоциированного аммиака, эндо - и экзо-газов и т.д.) еще более усугубляют эти свойства.

Пирофорность - способность твёрдого материала в мелкораздробленном состоянии к самовоспламенению на воздухе при отсутствии нагрева.

Пирофорность связана, как правило, с экзотермическими реакциями окисления <#"698928.files/image047.gif">

ПРИЛОЖЕНИЕ 4

Таблица исследований по спеканию

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЯ

1. Для восстановления подшипников скольжения, применяемых в автомобильном транспорте, тракторостроении а также внутризаводском транспорте перспективным направлением ремонта машин является применение порошковых композиционных материалов.

2. Основными операциями при формообразовании композиционных покрытий является холодное прессование порошков в закрытых пресс-формах и последующее спекание.

3. Наилучшими режимами, обеспечивающими максимальную сцепляемость наносимых композиционных покрытий являются: исходная шероховатость поверхности Rz =160 мкм, давление прессования Р =400МПа, температура спекания Т=1150°С, время выдержки при температуре спекания Тв= 4 часа.

4. В работе показана принципиальная возможность применения разработанной технологии напрессовки порошкового композиционного материала на внутреннюю цилиндрическую поверхность, для получения изделий различного функционального назначения.

ЛИТЕРАТУРА

1)      Кудинов В.В., Бобров Г.В. Нанесение покрытий напылением. Теория технология и оборудование. Учебник для вузов. - М.: Металлургия, 1992.-432с.

)        Гиршов В.Л., Котов С.А., Цеменко В.Н. Современные технологии в порошковой металлургии. СПб.:Изд-во Политехн. Ун-та, 2010.-386с.

)        В.Н. Анциферов, Г.В. Бобров, Л.К. Дружинин и др. Порошковая металлургия и напыленные покрытия. Учебник для вузов. М.: Металлургия 1987. 792 с.

)        Борисов, Ю.С. Газотермичесике покрытия из порошковых материалов. Справочник. / Ю.С. Борисов, Ю.А. Харламов, С.Л. Сидоренко, Е.Н. Ардановская - Киев.: Наукова Думка, 1987. - 544 с.

)        Джордж Де-Гроат, перевод с английского А.А.Жукова. Производство изделий из металлического порошка. Государственное Научно- Техническое издательство Машиностроительной Литературы, Москва 1960.- 200с.

)        Черноиванов В.И., Лялякин В.П. Организация и технология восстановления деталей машин. Изд. 2-е, доп. и перераб. -М.: ГОСНИТИ, 2003 г. - 488 с

)        Патент № 2023745, МПК C 23 C 14/35, 1994.

)        Андреев А.А., Гавриленко И.В., Кунченко В.В., Локошко В.В., Сопрыкин Л.И. Физика и химия обработки материалов, N 3, 1980, стр. 64

)        Патент № 2101137, B22F7/02, 1998.

10)     Патент РФ № 2289499, B23P6/02 <http://www.freepatent.ru/MPK/B/B23/B23P/B23P6/B23P602>, 2006.

)        Патент РФ № 2323809, B23P6/02 <http://www.freepatent.ru/MPK/B/B23/B23P/B23P6/B23P602>,2008.

)        Патент РФ № 2056973, B22F7/00,1996.

)        Патент РФ №2338007,C23C24/10,2008.