Способ газотермического нанесения покрытий на внутренние поверхности отверстий

Способ газотермического нанесения покрытий на внутренние поверхности отверстий

Реферат

Изобретение относится к машиностроению и может быть применено для упрочнения внутренних поверхностей деталей в полостях, имеющих форму тел вращения, например стенок цилиндров двигателей внутреннего сгорания.

Известен способ газотермического напыления (Процессы газотермического напыления / Van den Berge Frank V.J. // Adv. Mater. and Process. - 1998. - 154, 6. - С.31-34. (РЖ 8Е 141, 2000 г.). При осуществлении этого процесса с помощью источника тепла превращают металлические или неметаллические материалы в виде проволоки или порошка в струю расплавленных или полурасплавленных частиц, которую осаждают на подложку. Этот способ позволяет получать на поверхности деталей слои материала с требуемыми свойствами, в том числе и износостойкие покрытия на поверхностях, работающих в условиях фрикционного износа. Однако известный способ трудно применить для нанесения покрытий на внутренние поверхности в полостях изделий, особенно в тех случаях, когда размеры полости не позволяют разместить внутри нее газопламенную или плазменную горелку и разогнать струю напыляемых частиц перед их соприкосновением с обрабатываемой поверхностью до нужной скорости. Это ухудшает качество наносимого покрытия либо делает нанесение покрытия невозможным.

Известен также способ термического напыления покрытий на внутренние поверхности отверстий в деталях (Патент США №5439714, от 13.07.1993 г., МКИ 6 B 05 D 1/08), который принят за прототип. По прототипу перед распыляющей пушкой (горелкой) располагают элемент с наклонной поверхностью в виде конуса. Конус устанавливают внутри отверстия соосно с ним. Горелку и упомянутый элемент размещают так, чтобы между ними постоянно сохранялось заданное расстояние и чтобы направление струи распыленного материала изменялось так, чтобы она попадала на внутреннюю поверхность отверстия. Между внутренней поверхностью обрабатываемого отверстия и основанием конуса устанавливают зазор. В процессе нанесения покрытия конус вращают и совместно с горелкой перемещают вдоль обрабатываемой поверхности. Способ по прототипу обеспечивает возможность нанесения покрытий на внутреннюю поверхность отверстия даже при относительно малом его диаметре. Однако при нанесении покрытий по прототипу частицы напыляемого материала, ударяясь о наклонную плоскость и отражаясь от нее, тормозятся, теряя часть своей кинетической энергии. Потерю энергии можно компенсировать увеличением скорости вращения конуса, однако это приведет к усложнению оборудования и уменьшению его надежности, что отрицательно скажется на качестве покрытия. Кроме того, при этом не обеспечивается сепарация энергетически слабых частиц напыляемого материала, которые, достигая обрабатываемой поверхности, слабо сцепляются с ней и могут образовывать рыхлоты в покрытии. В процессе нанесения покрытия частицы напыляемого материала на отдельных участках поверхности конуса могут сцепляться с ней, что ухудшит ее отражательную способность и вызовет неравномерность покрытия на обрабатываемой поверхности. Все это ухудшает качество покрытия, понижая его прочность и износостойкость.

Техническим результатом изобретения является повышение качества покрытия.

Сущность изобретения заключается в том, что на обрабатываемую внутреннюю поверхность отверстия направляют струю нагретых частиц напыляемого материала, образуемую нагретым газом. Перед горелкой, распыляющей частицы, располагают элемент с наклонной поверхностью в виде конуса, помещая его внутри обрабатываемого отверстия соосно с ним. На конус направляют струю нагретых частиц напыляемого материала. В процессе нанесения покрытия выдерживают постоянное расстояние между горелкой и конусом. Между внутренней поверхностью обрабатываемого отверстия и основанием конуса устанавливают зазор. В процессе нанесения покрытия конус вращают и совместно с горелкой перемещают вдоль обрабатываемой поверхности.

В отличие от прототипа применяют конус с углом при вершине 60...70°, выполненный из термостойкого материала, обладающего низкой адгезионной способностью. Может также быть применен конус из металла с нанесенным на его коническую поверхность покрытием из термостойкого материала, имеющего низкую адгезионную способность. Концентрично струе нагретых частиц напыляемого материала подают под давлением дополнительную струю газа.

По другому варианту, обрабатываемую деталь вращают относительно оси конуса. При этом конус одновременно вращают в противоположном направлении.

При необходимости предварительной очистки поверхности перед началом процесса нанесения покрытия над конусом устанавливают сопло пескоструйного или дробеструйного аппарата. Затем направляют струю абразивного порошка или дроби на поверхность конуса, конус вращают и совместно с соплом перемещают вдоль обрабатываемой поверхности.

Такая совокупность признаков предлагаемого способа позволяет повысить качество покрытия, поскольку угол при вершине конуса, равный 60...70°, обеспечивает оптимальное направление движения напыляемых частиц к обрабатываемой поверхности. Применение конуса из термостойкого материала с низкой адгезионной способностью или покрытия на его конической поверхности из термостойкого материала с низкой адгезионной способностью уменьшает вероятность налипания напыляемых частиц на поверхность конуса. Вращение изделия вокруг оси конуса увеличивает энергию соударения напыляемых частиц с обрабатываемой поверхностью.

При необходимости предварительной очистки обрабатываемой поверхности установка над конусом перед началом нанесения покрытия сопла пескоструйного или дробеструйного аппарата и направление на вращающийся конус струи абразивного порошка или дроби повысит эффективность предварительной очистки обрабатываемой поверхности. Абразивный порошок или дробь, отражаясь от поверхности конуса и приобретая дополнительную кинетическую энергию, будут направляться под углом к этой поверхности, а не вдоль нее, как это происходит при пескоструйной или дробеструйной обработке отверстий без применения конуса. В результате очистка поверхности улучшится, что повысит качество наносимого покрытия.

Предлагаемый способ иллюстрируется чертежом, где показана технологическая схема его осуществления.

По предлагаемому способу процесс нанесения покрытий осуществляют следующим образом.

В обрабатываемое отверстие 1 изделия 2 вводят конус 3 и устанавливают его так, чтобы оси конуса 3 и отверстия 1 совпадали, а между поверхностью отверстия 1 и кромкой основания конуса 3 имелся зазор S. Над конусом 3 со стороны его вершины устанавливают горелку 4. Конус 3 в процессе обработки поверхности отверстия 1 вращают со скоростью ω. В горелку 4 подают порошок или проволоку из напыляемого материала, который расплавляется под действием тепла электрической дуги, газокислородного пламени, электронного луча или любого другого источника тепла. Расплавленный материал распыляется и выдувается из сопла горелки 4 потоком газа 5 (например, воздуха или другого активного либо инертного газа) и образует струю нагретых частиц 6, направленную вдоль оси обрабатываемого отверстия 1. Поток газа 5 и струя нагретых частиц 6 ударяются.

Поток газа 5 и струя нагретых частиц 6 ударяются о коническую поверхность конуса 3. Нагретые частицы 6 отражаются от поверхности конуса 3 и устремляются к обрабатываемой поверхности отверстия 1. При ударе о поверхность конуса 3 частицы 6 тормозятся и теряют часть кинетической энергии. Однако поверхность конуса 3, вращаясь, передает частицам 6 часть своей кинетической энергии, компенсируя ее потери вследствие торможения. Частицы 6 закручиваются и ударяются о напыляемую поверхность отверстия 1, двигаясь после соударения с поверхностью конуса 3 по спирали и под некоторым углом к поверхности отверстия 1. Это улучшает прочность сцепления напыляемых частиц 6 с поверхностью отверстия 1, частицы 6 как бы намазываются на обрабатываемую поверхность и образуют на ней покрытие 7.

Концентрично струе нагретых частиц 6 напыляемого материала подают под давлением дополнительную струю газа 5. Этот газ, обтекая поверхность конуса 3, выходит с большой скоростью из отверстия 1 через зазор S между поверхностью отверстия 1 и кромкой основания конуса 3, пересекая траектории частиц 6, отраженных от поверхности конуса 3. При этом энергетически слабые частицы, не обладающие кинетической энергией, достаточной для образования хорошего сцепления с обрабатываемой поверхностью, выдуваются дополнительным потоком газа 5, не долетая до этой поверхности. Это повышает прочность сцепления покрытия 7 с поверхностью отверстия 1, так как наличие в составе покрытия 7 энергетически слабых частиц привело бы к рыхлотам и местным разупрочнениям как самого слоя покрытия 7, так и его сцепления с обрабатываемой поверхностью отверстия 1.

В процессе нанесения покрытия 7 конус 3 и горелку 4 одновременно и синхронно перемещают вдоль оси отверстия 1 со скоростью V. Это перемещение может осуществляться сверху вниз или снизу вверх либо возвратно-поступательно в зависимости от особенностей конструкции изделия 2 и требуемой толщины покрытия 7.

Выбор угла α при вершине конуса 3 в пределах 60...70° обусловлен тем, что при α<60° частицы 6 отражаются от поверхности конуса 3 под острым углом к напыляемой поверхности отверстия 1, при котором они скользят по этой поверхности и часть их не прилипает к ней. При α>70° частицы 6 плохо отражаются от поверхности конуса и прилипают к ней, в результате чего коническая поверхность теряет форму и практически перестает отражать частицы 6. В обоих случаях качество покрытия 7 на поверхности отверстия 1 ухудшится.

Зазор S между поверхностью отверстия 1 и кромкой основания конуса 3, а также скорость ω вращения конуса 3 и скорость V перемещения конуса 3 с горелкой 4 вдоль оси отверстия 1, могут быть различными в зависимости от площади обрабатываемой поверхности отверстия 1, мощности горелки 4, требуемой толщины покрытия 7 и ряда других технологических факторов.

Чтобы уменьшить вероятность прилипания частиц напыляемого материала к поверхности конуса 3, применяют конус 3, изготовленный из термостойкого материала, обладающего низкой адгезионной способностью. Конус 3 может также быть изготовлен из металла, например, из стали, причем его коническая поверхность должна быть покрыта слоем термостойкого материала, обладающего низкой адгезионной способностью. В качестве такого материала в обоих случаях может быть применен, например, фторопласт.

Для увеличения энергии соударения частиц 6 с поверхностью отверстия 1 вращают изделие 2, причем конус 3 также вращают, но в противоположном направлении. Такая необходимость может возникнуть, например, при нанесении покрытия 7 на поверхность отверстия 1, обладающую повышенной твердостью. Одновременное вращение в противоположных направлениях обрабатываемого изделия и конуса позволяет использовать относительно простые приводы для получения высоких относительных скоростей вращения. Это упрощает оборудование и повышает его надежность, что также улучшает качество покрытия.

При необходимости предварительной очистки внутренней поверхности отверстия 1 перед началом нанесения покрытия 7 над конусом 3 устанавливают сопло пескоструйного или дробеструйного аппарата. На поверхность конуса 3 подают струю абразивного порошка (например, песка или смеси песка с водой) либо дроби (например, стальной). Абразивный порошок или дробь, ударяясь о коническую поверхность, отражаются от нее, направляются к поверхности отверстия 1 и, закручиваясь от вращающегося конуса 3, приобретают дополнительную кинетическую энергию. Ударяясь под некоторым углом о внутреннюю поверхность отверстия 1, абразивный порошок или дробь более эффективно очищают ее. Направленность частиц абразивного порошка или дроби на обрабатываемую поверхность и приобретенная ими дополнительная кинетическая энергия улучшают качество очистки поверхности отверстия 1. Это, в свою очередь, улучшает прочность сцепления напыляемого материала с обрабатываемой поверхностью, что повышает качество покрытия 7.

Примером применения предлагаемого способа может служить нанесение упрочняющего износостойкого покрытия на внутреннюю поверхность цилиндров двигателя внутреннего сгорания. Обрабатывали блок цилиндров автомобильного двигателя. Блок представлял собой отливку из алюминиевого сплава АЛ4 с четырьмя отверстиями 1 цилиндров, которые имели диаметр 86 мм. На внутреннюю поверхность этих отверстий наносили покрытие общей толщиной 250 мкм. Покрытие наносили в три слоя. Первый слой, толщина которого не превышала 50 мкм, представлял собой подслой из напыленного порошка ПН85Ю15. Второй слой, основной, имел толщину 180 мкм и состоял из 70% порошка марки ПР-Н73Х16СзРз и 30% порошка ПН85Ю15. Третий слой, толщиной 30 мкм, представлял собой нанесенные на поверхность основного слоя частицы с твердой смазкой: гранулы графита в оболочке из никеля. Все частицы всех напылявшихся порошков имели диаметр 40...60 мкм.

Внутрь отверстия 1 обрабатываемого цилиндра 2 помещали конус 3, устанавливая его соосно отверстию 1. Конус 3 изготавливали из стали Ст.3 и покрывали его коническую поверхность слоем тефлона толщиной 0,5 мм. Диаметр основания конуса 3 составлял 66 мм, угол при вершине был выбран α=60°. Зазор между кромкой основания конуса 3 и внутренней поверхностью отверстия 1 составлял S=10 мм. В процессе обработки конус 3 вращали со скоростью ω=10000 об/мин, используя для этого угловую шлифовальную машину. Одновременно вокруг оси отверстия 1 вращали в противоположном направлении блок цилиндров со скоростью 100 об/мин, установив его на вращатель, состоящий из электродвигателя с редуктором.

Перед нанесением покрытия 7 над конусом устанавливали сопло пескоструйного аппарата. Струю песка направляли на вращающийся конус 3 параллельно оси отверстия 1 и производили пескоструйную обработку поверхности отверстия 1 в течение 3 минут. Затем начинали процесс нанесения покрытия. Для этого применяли газопламенную кислородно-ацетиленовую горелку 4. Соотношение ацетилена и кислорода устанавливали 0,8:1. В пламя горелки подавали напыляемый порошок. Струя нагретых частиц 6 этого порошка, ударяясь о поверхность вращающегося конуса 3, изменяла направление своего движения, частицы 6 направлялись к обрабатываемой поверхности. Концентрично струе нагретых частиц 6 подавали под давлением 9 атм струю 5 воздуха, который, выходя через зазор S, уносил с собой энергетически слабые частицы 6 напыляемых материалов.

Конус 3 в процессе нанесения покрытия совместно с горелкой перемещали вдоль оси отверстия 1 со скоростью V=34,3 мм/мин. Расстояние между вершиной конуса 3 и торцом горелки 4 составляло 100 мм и в процессе нанесения покрытия 7 оставалось постоянным. Каждый слой покрытия наносили за один проход, скорость V перемещения конуса 3 с горелкой 4 оставалась одинаковой при каждом проходе, а требуемую толщину слоя получали, регулируя количество напыляемого порошка, подаваемого в пламя горелки 4.

В процессе нанесения покрытия 7 налипания частиц 6 на поверхность конуса 3 не обнаружено. Слои покрытия формируются ровно, выступов, впадин и осыпания частиц на поверхности слоев не было. Изделие 2 (блок цилиндров) подвергали испытаниям на износ внутренних поверхностей цилиндров с нанесенным по предлагаемому способу покрытием и на износ контртела (поршневых колец из чугуна). Испытания показали, что по сравнению с блоками цилиндров, выполненными из чугуна, поверхности цилиндров из алюминиевого сплава с покрытием, нанесенным по предлагаемому способу, имеют износостойкость в 1,5 раза выше. Одновременно в 1,2 раза увеличилась стойкость контртел (поршневых колец). Это свидетельствует о высоком качестве покрытия 7, нанесенного по предлагаемому способу.

Рассмотренный пример подтверждает, что предлагаемый способ обеспечивает технический эффект, заключающийся в повышении качества покрытия, что позволяет улучшить его износостойкость. Предлагаемый способ осуществляется с помощью известных в технике средств. Следовательно, предлагаемый способ газотермического нанесения покрытий на внутренние поверхности отверстий обладает промышленной применимостью.

1. Способ газотермического нанесения покрытий на внутренние поверхности отверстий, при котором обрабатываемую поверхность подвергают воздействию струи нагретых частиц напыляемого материала, образуемой нагретым газом, перед горелкой, распыляющей частицы, располагают элемент с наклонной поверхностью в виде конуса, расположенного внутри отверстия соосно с ним, струю нагретых частиц направляют на конус, между горелкой и конусом выдерживают постоянное расстояние, между внутренней поверхностью обрабатываемого отверстия и основанием конуса устанавливают зазор, в процессе нанесения покрытия конус вращают и совместно с горелкой перемещают вдоль обрабатываемой поверхности, отличающийся тем, что применяют конус с углом при вершине 60...70°, выполненный из термостойкого материала, обладающего низкой адгезионной способностью, или выполненный из металла, на поверхность которого нанесено покрытие из термостойкого материала, обладающего низкой адгезионной способностью, причем концентрично струе нагретых частиц напыляемого материала подают под давлением дополнительную струю газа.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что обрабатываемую деталь вращают относительно конуса, причем конус одновременно вращают в противоположном направлении.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что при необходимости предварительной очистки обрабатываемой поверхности перед началом нанесения покрытия над конусом устанавливают сопло пескоструйного или дробеструйного аппарата, направляют струю абразивного порошка или дроби на поверхность конуса, конус вращают и совместно с соплом перемещают вдоль обрабатываемой поверхности.