Ural Welding Institute

Разработка и внедрение оборудования и технологий дуговой металлизации

По относительной стоимости покрытия, получаемые электродуговой металлизацией (ЭДМ), в 3 – 10 раз дешевле получаемых другими способами газотермического напыления (ГТН), рис. 1. Это обусловлено высокой тепловой эффективностью, производительностью, низкой стоимостью напыляемых материалов и простотой обслуживания. Сравнение с плазменным напылением показало снижение затрат по основным статьям в несколько раз (рис. 2).

Однако физико-химические особенности процесса ЭДМ вызывают сложности в получении качественных покрытий. Сильное влияние электромагнитных сил, интенсивное выгорание из металла легирующих элементов, насыщение распыляемого металла газами из атмосферы в зоне горения дуги приводят к тому, что типовое ЭДМ-оборудование характеризуется широким углом распыла, до 70 градусов, невысоким, 0,5…0,6, коэффициентом использования материала снижением концентрации легирующих элементов, избыточным содержанию оксидов в покрытии.

рисунок 1.png

Рис. 1. Относительная стоимость покрытий, получаемых различными способа-ми газотермического напыления [1].

Виды напыления: ГП – газопламенное, ПН - плазменное, ДН – детонационное, ГПС – газопламенное сверхзвуковое, ПВ – плазменное высокоскоростное, ПДВ – плазменное в динамическом вакууме

2.png

Рис. 2 Соотношение относительных затрат (К=ПН/ЭДМ) при напылении типовой шейки вала плазменным напылением и ЭДМ

Для устранения указанных недостатков на основе моделирования процесса дуговой металлизации и изучения свойств покрытий [2-5] разработаны и внедрены в производство оборудование и технологии активированной дуговой металлизации (АДМ), рис. 3 [6]. К отличительным особенностям АДМ относится совместное использование продуктов сгорания восстановительных смесей в качестве транспортирующего газа, определенного взаимного расположения сопел и электродов, целенаправленного воздействия на зону горения дуги.

3.png

Pис. 3 Напыление стали АДМ-аппаратом

Такая схема обеспечивает высокие скорости частиц и снижение степени окис-ления покрытия, поэтому АДМ-аппараты отличаются улучшенными выходными характеристиками в сравнении с ЭДМ-аппаратами, рис. 4. При этом производи-тельность и тепловая эффективность процесса остались на уровне ЭДМ.

4.png

Рис. 4 Сравнение параметров ЭДМ и АДМ В состав установки входит металлизационный аппарат, пульт управления, соединительные кабелями с коммутирующей коробкой и ряд вспомогательных устройств. В качестве источника питания используется типовой сварочный источник с жесткой характеристикой (рис.5).  

Технические данные установки: диаметр проволоки - 1.5…2.2 мм; расход воздуха - 60 м3/ч; расход пропана - 0.011 кг/ч; габариты - 290х255х75 мм; масса - 3.1 кг; производительность, кг/ч: по стали - 18.4, по алюминию - 6.5, по цинку - 16.8. Аппараты комплектуются и пультом управления.

Требования к эксплуатации оборудования сопрягаются с типовыми для про-мышленных цехов, а требования техники безопасности соответствуют сварочному производству. 

5.jpg

Рис. 5 Комплект установки АДМ – 10 с источником питания Результаты лабораторных испытаний показали, что качество получаемых по-крытий также улучшено [7]. Измерялись адгезия методом отрыва конического штифта, пористость по ГОСТ 18898-73, газопроницаемость – по ГОСТ 25283-93. Характер зависимости и значение величины адгезионной прочности (рис. 6), соответствуют данным для плазменного напыления [8], что говорит об аналогичном качестве ПН- и АДМ-покрытий по этому параметру. Это подтверждают и результаты промышленных испытаний. Они показали, что для большой группы покрытий надежность металлических износостойких АДМ-покрытий одного уровня с плазменными.

6.png

Рис. 6. Адгезия покрытий для различных способов ГТН и шероховатости основы.При АДМ использована проволока Св-04Х19Н9, при ПН – порошок СНГН 55 (16Cr, 4Si, 4B,4Fe, Ni ост.)  

Сравнительные испытания, проведенные для покрытий, полученных с использованием типового метализационного аппарата ЭМ-14 и аппарата АДМ-10, показали, что при одинаковом химическом составе величина открытой пористости в случае АДМ-покрытий снижается примерно в 3 раза. Газопроницаемость АДМ-покрытий на 2 порядка ниже, чем у ЭДМ-покрытий (рис. 7). Данные свидетельствуют о том, что при уменьшенной толщине АДМ-покрытия аналогичны по эксплуатационным характеристикам с ЭДМ-покрытиями. Это дает возможность снижения трудоемкости и расхода материалов.

7.png

Рис. 7. Влияние толщины покрытия на газопроницаемость (Г). Проволока Св-04Х19Н9, дистанция напыления – 100 мм, ток 180 А, напряжение 30 В.

Для нанесения износостойких покрытий металлизацией специально была разработана экономнолегированная порошковая проволока диаметром 1.6 мм системы легирования Fe-C-Cr-Ti-Al, марки ППМ-6 ряда модификаций, ТУ14-178-456-2004 [9]. Ее отличает мелкокапельный характер распыла. Испытания показали, что покрытия из ППМ-6 отличаются высокой твердостью, 6,2…8,2 ГПа, износостойкость при абразивном износе покрытия в 1,5…2 раза выше, чем из сплошной проволоки 20Х13, адгезионная прочность по методике "на срез" выше, чем у нихрома на 10…15 %, и в 3 раза в сравнении с 08Г2С (рис. 8). 

8.png

Рис. 8 Адгезионная прочность покрытий из различных материалов

Результаты исследований подтверждены на практике. За последние годы было организовано более десяти участков нанесения покрытий на основе АДМ-оборудования на предприятиях машиностроения, ремонта автомобильной техники и электротранспорта, газопереработки, металлургии, строительства, энергетики. В основном решались типовые задачи:

•нанесение антикоррозионных покрытий из алюминия, нержавеющей стали, цинка, нихрома на металлоконструкции в металлургии, строительстве, нефтегазо-вой промышленности, энергетике (рис. 9);

•нанесение износостойких и антифрикционных покрытий на трущиеся детали в машиностроении – валы, оси, коленчатые валы, поршни (рис.10).

В зависимости от вида покрытий (износостойкие, антикоррозионные) годовая эффективность применения составляет 1…5 млн. руб. на аппарат, при средней загрузке оборудования.

9.jpg

Рис. 9. Нанесение АДМ-покрытий на внутреннюю поверхность резервуара

10.jpg

Рис. 10. Типичные детали, восстановленные по плоскости скольжения, а также по цилиндрическим шейкам, работающим с подшипниками скольжения и качения

11.jpg

Шток гидроцилиндра, длина напыленной части 2200 мм, HRc 52…54

12.jpg

Шестерни – восстановление посадочных гнезд

13.jpg

Кулаки поворотные троллейбуса, восстановлены шейки под подшипники качения

14.jpg

Вал-шестерня, одна из шеек после напыления шлифована

15.jpg

Линия гальванопокрытий -подающие ролики. 52...54 HRc, R = 0,8. Машпром, Екатеринбург

16.jpg

Поршень гидроцилиндра пресс-ножниц. D=280мм. Бронзовое покрытие толщиной 5 мм. Машпром, Екатеринбург

18.jpg

Шток-поршень гидроцилиндра прошивки, 657мм, 52...54 HRc, R =0,2 Машпром, Екатеринбург 

Анализ трибологических характеристик баббитовых покрытий,полученных активированной дуговой металлизацией и альтернативными методами

Введение

В качестве антифрикционного покрытия вкладышей высокоскоростных, тяжелонагруженных подшипников скольжения широко распространено использование баббита, который отличается низким коэффициентом трения и высокой износостойкостью. Традиционно используемые баббитовые покрытия, получаемые методами литья и наплавки, отличаются нестабильностью химического состава, расслоением сплава в процессе кристаллизации, образованием включений, зон скопления оксидов, пор, легкоплавких эвтектик. Это приводит к охрупчиванию, подплавлению баббита в процессе работы, «натягиванию» сплава на вал, отслоению от основы. Искажение формы вкладыша вследствие температурных деформаций, приводит к возникновению внутренних напряжений в слое баббита с образованием трещин и выкрашиванием отдельных зерен. Высокий припуск на механическую обработку покрытия, необходимость в проточке канавок типа «ласточкин хвост», либо лужении  поверхности вкладыша, увеличивает стоимость подшипников изготавливаемых данными методами.

Для устранения приведенных недостатков перспективно использовать нанесение баббитовых покрытий напылением, в частности, методом активированной дуговой металлизации (АДМ). В отличие от типовой дуговой металлизации (ДМ) распыление металла производится продуктами сгорания пропано-воздушной смеси. АДМ отличается высокой производительностью, а характеристики качества в среднем на 40 % выше в сравнении с ДМ.

Выбор конкретной марки баббита, Б83, обусловлен его широким применением в подшипниках скольжения. Например, он одобрен для применения на тепловых станциях в опорах паровых турбин. Для напыления его сложно изготовить в виде проволоки типового диаметра 1,6 мм, из-за высокой хрупкости. Поэтому в качестве замены используют более пластичный баббит Б88 (импортные аналоги W-970 (FST), 04T (TAFA-Praxair), SpraBabbit (Metco)).

Целью работы было сравнение качества баббитовых АДМ-покрытий по комплексу трибологических и структурных характеристик с альтернативами: турбулентным литьем (ТЛ) , пропан-кислородной газовой наплавкой (ГН), плазменным напылением (ПН). Выбор данных способов обусловлен высокими характеристиками получаемых баббитовых покрытий. Коэффициент трения ТЛ-баббита в 1,5 раза ниже коэффициента трения  баббита, получаемого центробежным литьем и одинаков с таковым для сифонного литья . Коэффициент трения у баббита Б83, наплавленного в пламени пропан-бутана и кислорода, ниже на 5-20 %, чем у баббита Б83 наплавленного в пламени ацетилен-кислородой смеси и на 5-35 %, чем у баббита Б88 наплавленного в пламени ацетилен-кислородой и водород-кислородой смесей .

 

1 Материалы и методы их исследования

Образцы были выполнены в виде стальных призм 6х6х12 мм с покрытием толщиной 1,5 мм на торце 6х6 мм. Химический состав покрытий приведен в табл. 1. Образцы 1, 5 подготовлены в ЗАО НПП «Машпром», образцы 2, 3, 4  - в ООО «НПП ТСП» (Екатеринбург).

 

Табл. 1 Описание образцов

№ образца

Тип

Метод получения покрытия

Химический состав, масс. %

Примечание

Sn

Sb

Cu

1

Б83

АДМ

Ост.

10,8

6,0

Проволока диаметром 3,0 мм

2

Б83

ТЛ

Ост.

11,0

5,8

Чушка ГОСТ 1320

3

Б83

ГН

Ост.

11,0

5,8

Пруток диаметром 8,0 мм

4

Б83

ПН

Ост.

11,0

5,8

Порошок 40-100мкм

5

Б88

АДМ

Ост.

7,40

3,00

Проволока диаметром 1,6 мм

 

Образцы 1, 5 напылены на установке АДМ-10, при максимальных токах и напряжениях для стабильного процесса: 1 - 26 В, 100 А, 5 - 26 В, 75 А. Производительность составила: 1 - 23,2 кг/ч, 5 - 13,8 кг/ч, коэффициент использования металла 0,7 в обоих случаях. Для нанесения покрытия на образцы 4 использовали плазменную установку «Castolin Eutectic», порошок ПР-Б83 ТУ 1990-122-00194429, ток 170 А, напряжение 32 В, плазмообразующий газ аргон, производительность 3 кг/ч.

Для металлографического анализа были подготовлены микрошлифы в следующей последовательности: а) шлифовка на шлифовальных шкурках с разной зернистостью, полировка на мягком фетре с использованием пасты ГОИ № 2 ТУ 6-18-36-85 на шлифовально-полировальной установке NERIS ЗЕ881; б) травление двухпроцентным раствором азотной (HNO3) кислоты в спирте. Протравленные и высушенные микрошлифы исследовали в отраженном свете с использованием металлографических микроскопов ПОЛАМ Р-312, МИМ-7 и Neophot 32.

Определение трибологических характеристик – коэффициента трения (fтр) и интенсивности изнашивания (I) проводили по схеме испытаний "диск-палец", на основе которой спроектирована и изготовлена машина трения (рис. 1) .

1.png


Рис. 1 – Принципиальная схема трибологических испытаний

 

Образцы, установленные в опоре под углом 120° на одной окружности, вращаются относительно оси с заданной скоростью скольжения. К ним посредством пружины сжатия, с усилием N прижато контртело, благодаря чему в зоне трения достигается требуемое давление.  Возникающему в контакте моменту трения M1  оказывает сопротивление момент М2 от силы упругости пружины кручения, установленной на контртеле. Деформация пружины кручения, выраженная углом закручивания, регистрируется оптическим датчиком. Информация с датчика поступает в микропроцессорный блок на регистрацию и обработку.

Испытания проводили в интервале параметров,  характерных для условий работы баббитовых подшипников скольжения: относительные скорости скольжения v = (1,3…6,5) м/с, давление в зоне трения P = (1…6) МПа.

Износ определяли по методу отпечатков   при P = 1 МПа и v = 6,5 м/с на пути 150 км. Интенсивность изнашивания находили согласно ГОСТ Р 50740, как отношение значения износа к пути, на котором происходило трение.

 

2 Результаты исследования

Сравнение характеристик АДМ-покрытий из Б83 и Б88 показало:

1) При увеличении давления до 4 МПа коэффициент трения уменьшается, при дальнейшем увеличении давления значение fтр  меняется незначительно. В случае Б83 изменение fтр происходит постепенно, в случае Б88 наблюдались скачкообразные изменения (рис. 2).

2.jpg

Рис. 2 Изменение коэффициента трения для АДМ покрытий из Б83 и Б88

 

2) При малых скорости скольжения и давлении fтр у Б88 ниже, однако при увеличении нагрузок значение fтр для обоих покрытий становится одинаковым.

 

Сравнение баббитовых покрытий, полученных различными способами (рис. 3), показало, что у АДМ-покрытий fтр во всем диапазоне давлений ниже в сравнении с ТЛ на 53-31%, с ГН на 54-16%, с ПН на 44-18%. Интенсивность изнашивания АДМ-покрытий ниже в сравнении с ПН на 32%, с ТЛ - в 3,3 раза.

3.jpg

Рис. 3 Значения коэффициента трения (fтр) и интенсивности изнашивания (I)  баббитовых покрытий полученных различными способами

 

Результаты микроструктурного металлографического анализа (рис. 4) показали, что основными фазами структуры оловянных баббитов, помимо a-твердого раствора на базе олова, являются SnSb (β-фаза) и игольчатые кристаллы Cu3Sn (ε-фаза). Для ПН- и АДМ-покрытия характерна дисперсная структура с размером β-фазы (SnSb) 10…30 мкм, в то время как ТЛ и ГН обеспечивают получение баббита с интерметаллидными включениями SnSb размером 120…290 мкм и схожей глобулярной формой.

Для всех способов размер частиц ε-фазы одинаков, при большей округлости в напыленных (АДМ и ПН) покрытиях. При напылении отмечен также меньший разброс в размерах фаз интерметаллидов.

 

3 Обсуждение результатов

Скачкообразные изменения коэффициента трения при напылении покрытия из тонкой (диаметром 1,6 мм) проволоки, вероятно, обусловлены отличиями в условиях формирования капель и дальнейшего охлаждения покрытия.

4.jpg


Рис. 4 Микроструктура баббита Б83, полученного различными способами:

а ТЛ; б – ГН; в – АДМ (х100); г – ПН

 

Уменьшение коэффициента трения при увеличении давления может быть обусловлено изменением соотношения влияния твердых интерметаллидов и основы, играющей роль мягкой прослойки. Это заключение подтверждают результаты исследований по совместимости трущихся поверхностей . Основой хорошей приспосабливаемости трущихся поверхностей друг к другу в процессе относительного перемещения является благоприятная реакция на ужесточение трения, которая у гетерогенных сплавов проявляется в увеличении количества перенесенного на сопряженную поверхность металла из мягкой фазы за счет деформации на участках контактирования очагов легкого сдвига. Кристаллы мягкой a-фазы с высокими антифрикционными свойствами в этом случае выполняют роль твердой смазки и предотвращают накапливание на поверхности трения разрушений.

Снижение коэффициента трения и интенсивности изнашивания при напылении, в сравнении с литьем и наплавкой, вероятно обусловлено меньшим размером и большей равномерностью распределения интерметаллидных фаз, являющимися наиболее твердыми составляющими баббитовых покрытий . Также напыленные покрытия отличаются повышенной маслоемкостью пористого рабочего слоя, что приводит к меньшему износу при недостаточной смазке . Повышенный износ при ПН в сравнении с АДМ обусловлен, вероятно, меньшей усталостной прочностью ПН-покрытий вследствие повышенных термических напряжений из-за избыточного тепловложения в распыляемый материал в сравнении с АДМ.

Разница в морфологии интерметаллидов обусловлена особенностями формирования слоев при разных способах получения. При напылении (ПН, АДМ) скорость охлаждения частиц составляет (10-3…10-4) с [12], что на 2…3 порядка выше, чем в случае литья и наплавки. Это обусловлено малым размером капель при напылении, 30…100 мкм и тем, что каждая капля попадает на уже остывшие до твердого состояния частицы предыдущего слоя . В результате при напылении скорость зарождения кристаллов значительно превышает скорость их роста в затвердевающем сплаве, в кристаллизующемся сплаве происходит преимущественно зарождение центров кристаллизации, наряду с медленным ростом кристаллов. В результате структура напыленного баббитового покрытия на порядок более мелкая, чем при равновесной кристаллизации, характерной для методов литья.

По АДМ-технологии были получены баббитовые покрытия толщиной 5 мм (рис. 5). Вследствие малой шероховатости покрытия припуск на обработку составил 0,5 мм на сторону (при ТЛ – 2 мм, при ГН до 4 мм), шероховатость поверхности после механической обработки Ra 2,5. Отсутствие отслоений проверяли ультразвуковым дефектоскопом. Была также успешно выполнена местной замены части поверхности поврежденного баббитового слоя без удаления всего покрытия.

Баббитовые слои такой толщины и шероховатости применяют в подшипниках скольжения на тепловых станциях, в компрессорах, дизелях судовых двигателей, опорах скольжения дробилок в горной промышленности и т. д.  Кроме лучших трибологических характеристик в сравнении и литыми и наплавленными, у АДМ-покрытий из баббита есть следующие положительные свойства: высокий коэффициент использования металла из-за малого припуска на обработку; возможность напыления слоя баббита на изношенный литой либо наплавленный слой, большая производительность.

Это особенности позволяют, в сравнении с базовым вариантом нанесения баббита литьем, снизить затраты на ремонт опор скольжения  примерно на 20 % и повысить технологичность, в частности применительно к крупным деталям.

5а.jpg 

а)

5б.jpg

б)

Рис. 5 Вид АДМ-покрытия толщиной 5 мм. а) Б88, из проволоки диаметром1,6 мм, б) баббит Б83, из проволоки диаметром 3 мм. Справа после напыления, слева после обработки

Выводы

1.     АДМ-покрытия из баббитов Б83 и Б88 имеют одинаковый коэффициент трения при высоких нагрузках (давление 6 МПа, скорость скольжения 6,5 м/с). При этом возможно достижение максимальной производительности до 23 кг/ч, что в 4-6 раз выше, чем при ПН и ГН, а припуск на обработку составляет 0,5 мм, что в 6-10 раз меньше, чем при ТЛ и ГН.

2.     У баббитовых АДМ-покрытий, в зависимости от марки баббита, коэффициент трения в интервале рабочих нагрузок (давление 1…6 МПа, скорость скольжения 1,3…6,5 м/с) на 16…54% ниже чем при ТЛ, ГН и ПН, а интенсивность изнашивания АДМ-покрытия в 3,3 раза ниже, чем при ТЛ и на 32% ниже чем при ПН. Эти отличия в трибологических характеристиках обусловлены особенностями формирования АДМ-покрытий.

3.     Возможно получение баббитовых АДМ-покрытий толщиной 5 мм, что соответствует требованиям к характерным деталям опорам и подшипникам скольжения в энергетике, судостроении, горной и других отраслях промышленности.