Разработка метода и технология напыления износостойких покрытий на наружную коническую поверхность кольца блокирующего синхронизатора ВАЗ 2123

Испания - полуавтоматическая установка для металлизации вилок переключения автомобилей; автоматическая установка для металлизации колец синхронизаторов автомобилей; специальная камера для плазменной и газопламенной установок.

Румыния - установка для металлизации картера коробки переключении скоростей автомобиля; автоматическая установка для металлизации колец синхронизаторов; звукоизоляционная камора для плазменной установки.

Польша - автоматические установки для металлизации вилок переключения и колец синхронизаторов автомобиля.

Венгрия - автоматическая установка для металлизации колец синхронизаторов.

Попытки повышения ресурса деталей традиционными методами упрочнения (химико-термической обработкой, наплавкой и т.д.) во многих случаях не имеют успеха, и все чаще единственной возможность, решения этой задачи становится напыление на поверхность деталей износостойких покрытии газотермическими методами. При этом стоимость газотермических способов напыления должна быть сравнима со стоимостью процессов нанесения покрытий, которые они заменяют. С целью снижения этой стоимости продолжены исследования процессов напыления с использованием газового пламени или дуги.

Однако, несмотря на достаточно широкое распространение, дальнейшее распространение эти методов, как в зарубежном, так и в отечественном массовом производстве, сдерживается из-за целого ряда факторов:

- в ряде случаев низкая прочность сцепления напыляемого материала с поверхностью детали (10 - 40 МПа), практически исключающая возможность термической обработки. Этот недостаток усугубляется еще и тем, что процесс не гарантирует даже такой прочности по всей поверхности детали;

- применение для оплавления напыленных покрытий существующих источников нагрева (плазмы, токов высокой частоты и т. п.), которые не позволяют вести процесс без значительного нагрева детали (подложки), что часто привозит к короблению и появлению значительных неоднородностей по толщине покрытия (наплавы, поры, раковины). В настоящее время делаются попытки оплавлять или приваривать напыленный слой с помощью лазерного и электронного луча, но говорить о внедрении этого метода в массовое производство преждевременно, поскольку при оплавлении напыленных материалов возникают проблемы, связанные с удержанием расплава на поверхности;

- сложившийся в массовом производстве парк оборудования для механической обработки с очень жесткими режимами обработки, повреждающими покрытия. Трудности в обработки покрытий обусловлены, прежде всего тем, что напыленный слой из-за недостаточной пластичности и высоких остаточных напряжений при обработке часто скалывается.

В настоящее время имеется ряд теорий, объясняющих явления, происходящие при газотермических процессах, разработана большая номенклатура порошков с различными свойствами, существует множество конструкций пистолетов. Однако, несмотря на это задачи по упрочнению целого ряда деталей требуют решения вопроса комплексно.

Технология нанесения покрытий предусматривает длинную цепь различных операций - от мойки, дробеструйной обработки, обезжиривания и т.п. до финишной обработки и контроля качества поверхности. Поэтому технология газотермического напыления применяется в массовом производстве ограниченно и преимущественно для деталей, не требующих механической обработки после напыления, в частности колец блокирующих синхронизатора.

1.5 Выводы по анализу возможных путей повышения долговечности синхронизатора

На основе различных способов повышения износостойкости узлов синхронизации, можно сказать, что многоконусные системы синхронизаторов нашли свое применение в области высоконагруженных синхронизаторов грузовых автомобилей, для легковой автомобильной промышленности данный метод является нецелесообразным в силу большого количества деталей синхронизатора и неоправданной несущей способности данной системы.

Использование колец (как латунных, так и стальных) со сформированными фрикционными обкладками различных систем Horbiger, аналогично многоконусной системе применяются в основном в тяжелонагруженных синхронизаторах грузовиков и строительно-дорожных машин. Данные системы позволяют выдерживать достаточно высокие допустимые нагрузки пары трения синхронизатора (рис.1.10, 1.11), но являются самыми дорогими из систем аналогов.

Процесс изготовления колец синхронизатора методом порошковой металлургии требует довольно точной технологии смешивания фрикционного материала с органическими веществами, что является относительно дорогим и сложным методом.

Напыление наружной конической поверхности кольца блокирующего синхронизатора молибденом повышает характеристики износостойкости всей синхронизирующей системы, является относительно недорогим методом (при использовании газопламенной технологии нанесения молибдена на поверхность кольца) в сравнении с вышеуказанными методами. По сравнительным оценкам, приведенным в табл.1.6, при использовании тонкого слоя молибден в виде фрикционной обкладки, наблюдается явно выраженные улучшения по износу фрикционной поверхности кольца, возникновения динамического трения в области контакта фрикционной поверхности и входящего конуса, а также несущей способности пары трения синхронизатора (сравнительная оценка проводилась относительно кольца из специальной латуни без напыления). Следует отметить и недостаток данного покрытия - наблюдается небольшой износ на входящем конусе муфты.

Применение «голых» латунных блокирующих колец ведет за собой не только высокий износ пары трения (рис.1.23), но и интенсивный процесс изнашивания деталей синхронизатора (рис.1.24), следствием чего является быстрый выход из строя всей синхронизирующей системы. Так же следует отметить, что использование латунных колец без фрикционного материала морально устарело, так как имеются множество улучшенных систем синхронизации.

Предпочтительным способом нанесения износостойких покрытий, из условия соотношения производительности и экономических показателей, с точки зрения ВАЗа, является широко применяемый метод газопламенного напыления. Аналогом молибденовых покрытий являются покрытия на основе никеля (Ni), которые почти в два раза ниже по стоимости и не уступают молибденовым покрытиям по износостойкости и другим показателям.

В итоге сформулированы задачи, главными из которых являются:

разработать технологию упрочнения рабочей поверхности кольца блокирующего синхронизатора КПП;

подобрать и оптимизировать состав покрытия кольца;

провести лабораторные исследования и испытания с упрочнением фрикционной поверхности кольца блокирующего синхронизатора КПП методом газопламенного напыления;

определить диапазон нормального трения и износа (т. е. критических условий, соответствующих возникновению повреждаемости) для серийных колец и опытных с покрытием;

2. Разработка метода и технологии напыления конических поверхностей колец блокирующих синхронизатор ВАЗ 2123

2.1 Метод газопламенного напыления

При газопламенном напылении источником тепловой энергии является пламя, образующееся в результате горения смеси кислород - горючий газ. Напыление в зависимости от состояния напыляемого материала может быть трех типов: проволочное, прутковое и порошковое. В любом случае напыляемый материал в виде проволоки или прутка подается через центральное отверстие горелки и расплавляется в пламени. Струя сжатого воздуха распыляет расплавленный материал на мелкие частицы, которые осаждаются на обрабатываемой поверхности. Подача проволоки производится с постоянной скоростью роликами, приводимыми встроенной в воздушную горелку турбиной, работающей на сжатом воздухе, используемым для напыления. Или электродвигателем через редукционный механизм. При этом необходима точная регулировка скорости вращения турбины или электродвигателя.

При использовании воздушной турбины трудно производить точную регулировку скорости подачи проволоки, однако в этом случае горелка более компактная и имеет меньшие габариты. Поэтому воздушные турбины используют в горелках, которые предназначены для ручного напыления. Горелки с электрическим двигателем позволяют более точно регулировать подачу проволоки и поддерживать ее постоянную скорость. Однако они имеют значительную массу, поэтому их устанавливают в механизированных установках для напыления. Редуктор снижает давление сжатого воздуха, поступающего из воздушной емкости, до 3,0-6,0 кгс/см³, а осушитель удаляет из воздуха влагу и масло.

В большинстве случаев в качестве горючего газа используют ацетилен. При полном сгорании ацетилена протекают следующие химические реакции:

С2Н2=2С+Н2+54,8 ккал (2.1)

2С+О2=2СО+52,9 ккал (2.2)

Н2+1/2I2=Н2О (газ) + 57,8 ккал (2.3)

2СО+О2=2СО2+135,9 ккал (2.4)

С2Н2+1/2I2=2СО2+Н2О+301,4 ккал

Таким образом, для полного сгорания 1 граммолекулы ацетилена необходимо 2,5 граммолекулы кислорода. При соотношении в смеси кислорода к ацетилену, равном 1:1, получается нейтральное пламя за счет того, что в горении ацетилена участвует также окружающий атмосферный кислород. На начальном участке факела, который образуется непосредственно у выхода из сопла и имеет наиболее интенсивное свечение, протекают реакции (2.1) и (2.2). На этом участке газообразные продукты сгорания имеют восстановительную атмосферу. За пределами рассматриваемого участка в факеле под действием кислорода, поступающего из атмосферы, протекают реакции (2.3 ) и (2.4) и происходит полное сгорание ацетилена. При движении напыляемых частиц в факеле происходит их непрерывный нагрев. При подаче струи сжатого воздуха в факел, как это имеет место в горелках газопламенного напыления проволоки, в результате присутствия большого количества воздуха большая часть пламени факела является окислительной.

Температура пламени ацетилен-кислород достигает 3100 ⁰С, а скорость истечения струи до 150 м/сек. Попадая в струю пламени, частицы порошка нагреваются до жидкого или высокопластичного состояния и приобретают скорость до 80 м/сек.

Опыт применения газопламенного напыления показывает , что этот способ, по сравнению с другими методами нанесения покрытий, имеет следующие преимущества:

- в отличие от распыления жидких материалов при газотермическом напылении исходный материал находится в твердом состоянии;

- наносимый материал находится в горячем, жидкотекучем состоянии, что всегда имеет высокую адгезию (прочность сцепления).

- покрытие можно наносить любой толщиной;

- газопламенное покрытие не требует никакой сушки, что позволяет покрытые изделия подвергать дальнейшей обработке сразу же после газопламенного напыления, а также исключить операции сушки;

- напыление можно производить на изделия сложной конфигурации, а также на отдельные участки поверхности;

- при образовании на покрытии каких-либо местных дефектов или повреждений возможно легкое их устранение, что имеет большое значение при ремонте.

2.1.1 Анализ конструкций горелок и распылительных головок для газопламенного напыления

Для газопламенного напыления используют горелки двух типов, с подачей порошка непосредственно в горючую смесь и с внешней подачей порошка в пламя (рис.2.1 и 2.2).

Горелки второго типа, с внешней подачей порошка, применяются для наплавки в стационарных условиях. В этих горелках дозирование подачи порошка из бункера производится под собственным весом через калибровочные отверстия (дозы). Отечественная модель горелок подобного типа ГАЛ-6, позволяющая напылять до 10 кг/час порошка.

Горелки первого типа используют только для ручного напыления, они позволяют использовать ацетилен низкого давления (0.01 - 0.02 атм.). Горелки ГАЛ-2 комплектуются мундштуками стандартной сварочной горелки и позволяют получать напыленный слой толщиной от 0,1 до 4 мм, при расходе порошка (с грануляцией до 100 мкм) от 35 до 60 г/мин.

В зависимости от способа подачи горючего газа различают инжекторные и безынжекторные распылительные головки. На рис.2.3 (а) приведена примерная конструктивная схема инжекторной головки. В корпусе головки 1 размещены кольцевой канал и, перпендикулярно ему, продольные по периферии. Центральный канал с наконечником 2 предназначен для подачи распыляемого материала. Корпус головки снабжен газовым соплом 3 с рассекателем горючей смеси. Для проволочного и иногда порошкового напыления предусмотрено воздушное обжимное сопло 5 с воздушным колпаком 4 и соответствующие коммуникационные каналы. Для подачи горючего газа в смесительную камеру 6 предусмотрен инжектор 7. К инжектору подводится кислород под давлением 0.2 -0.4 МПа. На выходе из инжектора развивается высокая скорость истечения кислорода и соответственно этому местное разрежение. Происходит подсос горючего газа через периферийные каналы инжектора. При наличии инжектора распылитель может работать с применением горючего газа, находящегося под низким давлением. Это важно для ацетилена, получаемого на месте производимых работ от переносных ацетиленовых генераторов низкого давления (0.005 - 0.01 МПа). При более высоких давлениях горючего газа роль инжекции снижается. В случае равных или близких давлений кислорода и горючего газа может производиться безинжекторная подача (рис.2.3 б).

Наличие инжектора делает распылитель универсальным по давлению горючего газа. На выходе из газового сопла образуется пламя, являющееся источником нагрева, распыления и ускорения напыляемых частиц. Распылительную головку закрепляют в корпусе аппарата. Для напыления внутренних поверхностей применяют сменные угловые головки с удлинителями. В отличие от плазменных горелок распылительные головки составляют чаще всего неотъемлемую часть газопламенного аппарата. Распылительные головки не взаимозаменяемы [7].

2.1.1.1 Горелки ГН-1, ГН-2, ГН-3, ВНИИавтогенмаш

Для наплавки промышленных порошковых твердых сплавов на основе железа, никеля и кобальта. Горелки ацетиленокислородные однофакельные двухстадийного смешения: сначала порошок инжектируется кислородом, затем кислородно-порошковая смесь инжектируется ацетиленом. Толщина наплавки до 1,5 мм. Горелка ГН-3 отличается от горелок ГН-1, ГН-2 более высокой мощностью и особенностью конструкции нижней части узла подачи порошка, в котором предусмотрено устройство, обеспечивающее всасывание воздуха из атмосферы и его регулирование.

2.1.1.2 Горелка ГН-4, ВНИИавтогенмаш

Для наплавки и напыления с оплавлением тел вращения. В отличие от предыдущих горелок порошок в горелке ГН-4 транспортируется через центральный канал кислородом в зону пламени, концентрично вытекающего из многофакельного мундштука.

Рис2.1 Распылительный аппарат наружной подачи порошкового материала: 1- порошковый бункер, 2-направляющая трубка, 3- многосопловый наконечник, 4-база сварочной горелки

Рис.2.2 Схема смешивания порошка с кислородом и ацетиленом: а и б - двуступенчатая инжекция, в - комбинированная инжекция (одноступенчатая)

Рис.2.3 Конструктивная схема газопламенного инжекторного (а) и безынжекторного (б) распылителей.

2.1.1.3 Газотермическое напыление с использованием гибких шнуровых материалов по технологии ООО «СП Техникорд»

В последнее время при газотермическом напылении применяют такой расходных материалов, как гибкие шнуры Sfecord, которые выпускает в России российско-французское предприятие "Техникорд" по now-how фирмы SNMI (Sosiete Nouvelle De Metallisation Industries).

Гибкие шнуры разработаны для использования в газопламенных металлизационных системах и представляют собой композиционный материал проволочного типа, состоящий из порошкового наполнителя и органической связующей, полностью исчезающей при нанесении покрытия (сублимирует процессе нагрева при 400°С без какого-либо отложения на подложку).

Для распыления гибких шнуров можно использовать стандартное оборудование, применяемое при газопламенной металлизации. Накоплен опыт распыления шнуров с использованием зарубежных (Metco 9E, Metco 10E, Меtсо 12Е) и отечественных (МГИ-4, УГМ) металлизаторов. Однако из-за конструктивных особенностей механизма подачи распыляемого матера возникают определенные сложности распыления шнуров из керамики и шнуров диаметром 4,75 мм (основной размер продукции, выпускаемой СП "Техникорд») Для такого оборудования СП "Техникорд" производит гибкие шнуры диаметром 3,17 мм. Естественно, при уменьшении диаметра применяемого шнура снижается и производительность процесса напыления. Поэтому рекомендуется применять металлизаторы с двумя активными прижимными роликами горизонтального исполнения, обеспечивающие скорость подачи в диапазоне от 15 до 150 см/мин.

Оборудование СП "Техникорд" обладает повышенной (до 10 кг/ч) производительностью распыления. Для большинства материалов КИМ составляет не менее 80 %. Струя распыла узкая (пятно составляет 10--15 мм в диаметре на расстоянии от 120 до 150 мм от среза сопла до подложки). Пористость покрытий в зависимости от марки материалов, режимов и дистанции напыления составляет от 3 до 10 %. Особое преимущество гибкие шнуры этого типа имеют при применении смесей.

В СНГ такое специализированное оборудование -- установка ТЕНА-ГШ (ТОП-ЖЕТ/2) -- производят СП "Техникорд" и МНПП "ТЕНА" (Минск). Установка состоит из пистолета для металлизации ТОП-ЖЕТ/2, пульта управления, подставки для его установки и катушек со шнуровыми материалами.

Возможности оборудования очень гибкие и не связаны с конкретным помещением. Поэтому металлоемкие и особенно крупногабаритные детали, изделия и конструкции можно без особых сложностей обрабатывать на месте. Техника напыления очень проста и может быть освоена за несколько часов.. Главное -- правильно осуществить выбор материала для решения конкретной задачи, а для обеспечения постоянного высокого качества покрытий проводить все основные операции по напылению в соответствии с известными рекомендациями и в точной последовательности [13].

Напыление шнуровыми материалами -- новое направление в области нанесения защитных покрытий различного функционального назначения.

2.2 Применение самофлюсующихся порошковых материалов

В последнее время самофлюсующиеся порошковые материалы на никелевой и кобальтовой матрицах с упрочняющими фазами на основе карбидов и боридов благодаря своим высоким износостойким свойствам нашли широкое применение при упрочнении деталей не требующих механической обработки после нанесения покрытий или имеющих минимальные припуски на механическую обработку, а также при упрочнении или восстановлении деталей дорогостоящих и выпускаемых малыми сериями.

Существенным препятствием для распространения этих материалов в крупносерийном и массовом производствах является сложность их обработки на существующем оборудовании с применением выпускаемого инструмента для лезвийной и абразивно-шлифовальной обработки из-за особенностей структуры самофлюсующихся сплавов, имеющих сравнительно "мягкую легкоплавкую матрицу (Ni) и твердый наполнитель (карбиды, бориды). Твердость наполнителей на основе карбидных и боридных фаз сложного состава, соизмеримая с твердостью наполнителя в лезвийном абразивном инструментах, приводит к потере режущих свойств инструмента, а высокие контактные температуры, возникающие в процессе механической обработки, - к разупрочнению поверхностных слоев матрицы самофлюсующихся сплавов, особенно на никелевой основе, и ее налипанию на режущие контактные поверхности. Оба этих явления затрудняют процесс обработки и требуют частой правки инструмента, что, в конечном счете, и ограничивает применение самофлюсующихся сплавов на никелевой основе. Таким образом, одним из основных направлений развития упрочняющих материалов является разработка технологии изготовления деталей с упрочняющими покрытиями на никелевой матрице (основе) и специального инструмента для их обработки с целью расширения их внедрения в серийном и массовом производствах.

При проведении комплекса исследований в этой области необходимо стремиться к тому, чтобы экономический эффект от увеличения ресурса деталей с упрочняющими покрытиями в эксплуатации превышал затраты на их изготовление.

Следует учитывать при этом, что работоспособность сплавов на никелевой основе зависит от условий эксплуатации. Так, например, хорошо проявив себя в условиях трения скольжения, даже абразивного, эти сплавы не работают в конструкциях с высокими ударными и удельными знакопеременными нагрузками. Объясняется это тем, что в данных условиях механизм износа описываемых сплавов имеет питтинговый характер, который до конца не изучен, но с большой степенью вероятности может быть охарактеризован следующим образом. Никелевая матрица под воздействием ударных нагрузок подвергается наклепу, в результате чего происходит вытеснение упрочняющих карбидоборидных зерен в зону трения. На границе появляются острые иглы, начинающие интенсивно изнашивать ответное (контр) тело. В результате по мере износа происходит микросварка зерен упрочняющей фазы с трущейся поверхностью и вырыв их из покрыта. Образовавшиеся пустоты не заполняются продуктами износа, и это, по мере эксплуатации изделия, приводит к катастрофическом износу трущейся пары. Один из путей улучшения свойств этих материалов, применяемых для упрочнения автомобильных деталей, - легирование их элементами, частично устраняющими перечисленные выше недостатки.

Большое влияние на работоспособность материалов трущихся пар деталей оказывают их температура плавления, энергия связи в решетке и способность образовывать в зоне трения продукты в виде пленок химических соединений, препятствующих схватыванию поверхностей трения.

Принципиальные же решения в области создания новых порошковых материалов, обладающих свойствами самофлюсовиния, для нанесения их в качестве износостойких покрытий на детали машин и механизмов, очевидно, могут быть, найдены при выполнении целого ряда условии. Во-первых, материал основы (матрицы) должен иметь более высокую энергию связи в решетке, чем никель, обладающий способностью удовлетворительно обрабатываться на традиционном оборудовании и традиционным инструментом. Во-вторых, твердость упрочняющей фазы должна быть ниже, чем у твердосплавного или керамического лезвийного инструмента, при этом упрочняющая фаза должна обладать свойствами, обеспечивающими высокую работоспособность деталей с покрытиями, и удовлетворять требованиям, предъявляемым к материалам, работающим в различных условиях трения. Матричные материалы оболочек должны состоять из сплавов на основе Fe, Ni, Cu, Ti, Al или их соединений с элементами, обладающим свойствами флюсования, - В, Si, Р, Mn.

Наиболее доступным и дешевым сырьем в качестве наполнителя новых порошковых самофлюсующихся материалов, по-видимому, являются ненасыщенные низкие оксиды металлов. Являясь фазами с ионным типом связи в решетки, они представляют coбой, устойчивые элементы покрытий, поскольку не склонны к схватыванию в зоне трения и не боятся окисления при работе в условиях повышенных температур, так как имеют более высокие температуру плавления и твердость по сравнению с чистым металлом, из которого они образованны. Совокупность этих свойств оксидов, позволяет применить их в самых различных условиях эксплуатации в машиностроении: при фрикционном и антифрикционном трении, со мазкой и без нее.

Основной задачей создания материалов с таким наполнителем является подбор матричных материалов, прочно связанных с наполнителем и обладающих хорошей совместимостью с металлом детали, на которую наносят покрытие. Работоспособность таких материалов зависит от дисперсности включения наполнителя, оптимального соотношения между наполнителем и матрицей и свойств самой матрицы.

2.3 Сцепление покрытия с деталью и факторы, влияющие на его величину

Известно, что прочность сцепления напыленных на деталь покрытий с материалом основы в зависимости от мощности источника распыления колеблется в пределах от 0,1 до 10 кгс/мм² при прочности сцепления частиц в слое покрытия 10-50 кгс/мм². В то же время, согласно исследованиям, наибольшая прочность сцепления покрытия с материалом основы, определенная через работу адгезии по формуле

_сц=А_адг/r=_жг (1 + cos )/ r, (2.5)

где А_адг - работа адгезии, эрг/см²;

r - радиус сил межатомного взаимодействия, см;

_жг - поверхностное натяжения жидкой фазы, ккал/моль;

- краевой угол смачивания, град.

для окислов на металлах, например, составляет 25800-26500 кгс/см², а для системы металлическое покрытие - деталь эта величина еще больше. Столь значительная разница приведенных значений величины прочности сцепления, по - видимому, обусловлена самой технологией газотермического напыления покрытий. Анализ явлений, происходящих на границе деталь - покрытие и в самом покрытии между слоями в процессе напыления, позволяет выдать практические рекомендации для разработки технологии нанесения покрытий с высокими рабочими свойствами.

Как известно, процесс получения покрытий газотермическим распылением заключается в разогреве порошкового или проволочного материала в дуговом разряде или в кислородно-ацетиленовом пламени до состояния плавления или пластического состояния, в разгоне этих частиц и их отложении на поверхности детали. Варьируя не скорость, а продолжительность взаимных перемещений детали и источника напыления, можно получить покрытие заданной геометрии и толщины. Сравнение условий формирования первого и каждого последующего слоя покрытия показывает, что они отличаются, в основном, температурой и площадью поверхности, на которую осуществляют напыление слоев. Если первый слой наносится на холодную поверхность компактного металла, то каждый последующий - на ранее наносимый слой, температура которого выше температуры; поверхности детали. При этом площадь контакта каждого последующего слоя превышает площадь контакта первого слоя. Следствием этого - является градиент плотности и прочности сцепления слоев в покрытии. Изменение этих параметров происходит в сторону их увеличения от первого слоя к поверхности покрытия.

Градиентом свойств и температур по толщине покрытия в процессе его нанесения, также при эксплуатации, по - видимому, и объясняются негативные явления, проявляющиеся в покрытиях в виде их растрескивания и скалывания.

Покрытия, полученные термическим распылением, по свойствам приближаются к порошковым материалам, и, следовательно, их характеристики в значительной мере отличаются от свойств материала детали, на которую они наносятся. Различия эти приводят к возникновению в покрытиях значительных напряжений, существенно снижающих прочности сцепления частиц в слое и покрытия с деталью, вследствие чего покрытие разрушается или отслаивается либо уже в процессе его получения, либо при механической обработке или последующей эксплуатации.

На основании приведенных ранее рассуждений о наличии градиента температур по толщине покрытия в процессе его напыления, а также существенного различия физико-механических свойств материалов покрытия и детали, сделано допущение, в соответствии с которым основное разрушающее действие на материал покрытия оказывают напряжения двух видов - _т и _d, вызываемые соответственно наличием градиента температур и различием коэффициентов термического расширений материалов покрытия и детали. Отсюда суммарное напряженное состояние покрытия _и может быть записано в следующим виде:

_и = _т + _d (2.6)

Определение величин этих напряжений и их влияние на ухудшение свойств покрытия представляет собой практический интерес.

Расчет величин напряжений производится по формулам:

_т = */1 - * (Т₁ - Т₂), (2.7)

где Е - модуль упругости материала детали;

- коэффициент линейного расширения;

- коэффициент Пуассона;

Т₁ - температура перехода материала покрытия в упругое состояние, К;*

Т2 - средняя температура по толщине покрытия, К.

_d = Е*Е1*d*Т/(1 - )*Е1 + (h/h1) * Е * (1 - ) (2.8)

где Е1 - модуль упругости материала покрытия;

d - разность коэффициентов термического расширения материалов подложки и покрытия;

Т - градиент температур между первыми и последующими слоями покрытия;

h - толщина покрытия, мм;

h1 - толщина детали, мм.

Известно, что адгезионная прочность сцепления покрытия с деталью с ростом толщины покрытия уменьшается из-за действия напряжений. Поскольку площадь контакта детали с покрытием не меняется, а суммарные напряжения в покрытии с увеличением его толщины возрастают, становится очевидным факт их превалирующего влияния на величину адгезионной прочности сцепления покрытий с основой.

Снижение термических напряжений _т , приводящих, в основном, к когезионному разрушению покрытия, можно достигнуть за счет уменьшения градиента температур Т1 - Т2, т. е. повышением температуры подложки в процессе напыления. Однако при этом будут повышаться и остаточные напряжения _d приводящие в процессе охлаждения к адгезионному отслаиванию покрытий по границе покрытие - подложка.

Из двух видов напряжений (_т и _d) для изделий с покрытиями наибольшую опасность представляют напряжения _d, поскольку их величина в значительной степени превышает эффективную прочность сцепления покрытия с основой. Это подтверждают эксперименты по напылению покрытия на подложки, разогретые до различных температур. Первоначальный подогрев приводит к увеличению прочности сцепления, а с дальнейшим повышением температуры значение их снижается.

Таким образом, анализ литературных источников показал, что работоспособность деталей с покрытиями, в первую очередь, зависит от величины напряжений в покрытии и от свойств первого слоя. Исходя из этого вывода, можно сформулировать требования к первому слою: максимальная прочность сцепления с поверхностью детали и другими слоями покрытия; способность релаксировать возникшие в покрытии напряжения в процессе его получения, механической обработки и эксплуатации деталей с покрытиями; обеспечение плавкого перехода свойств от детали к покрытию.

В современной технологии получения работоспособных покрытий распылением различают два способа: с последующим оплавлением и без него. Первый способ обеспечивает высокую прочность сцепления с материалом основы за счет взаимодействия расплава покрытия с поверхностью детали и образования между ними наиболее прочной металлической связи. Технология нанесения покрытия вторым способом содержит целый арсенал средств, делящихся на две основные группы: первая включает средства воздействия на напыляемую поверхность, вторая - на напыляемый материал.

Для получения работоспособных покрытий вторым способом используются:

- предварительная обработка поверхности детали под напыление, включающая создание микрорельефа, химическую, механическую и термическую активацию;

- напыление подслоев из проволочных материалов, обеспечивающих высокую прочность сцепления поверхности детали с покрытием (молибден, нихром);

- напыление подслоев из химических соединений с низкой энергией связи, способствующих протеканию химических реакций при напылении основного слоя покрытия;

- напыление подслоев из термореагирующих порошковых и проволочных материалов;

- улучшение нагрева распыляемого материала в результате увеличения продолжительности его пребывания в струе источника, - например ламинарной плазмы, или за счет увеличения мощности аппаратуры для напыления;

- увеличение кинетической энергии распыляемых частиц посредством ступенчатого их ускорения до скоростей, приближающихся к сверхзвуковым;

- нанесение покрытий при низком давлении в безокисдной атмосфере, что позволяет значительно разогревать поверхность детали без ее окисления и получать покрытия высокого качества и работоспособности;

2.4 Технологический процесс нанесения износостойкого покрытия на основе Ni

2.4.1 Описание химического состава порошков

Испытуемые блокирующие кольца 2101-1701164 для КПП 2123 были изготовлены из латуни ЛМцАЖН (ТУ184550-106-033-97) из одной заготовки (трубы), с целью обеспечения постоянства объемных свойств готовых деталей, по действующему техпроцессу в ц.33-3 МСП.

Для получения покрытия методом газотермического напыления рабочей поверхности кольца блокирующего синхронизатора использовали смесь порошков для газотермического напыления (ГОСТ 28377 «Порошки для газотермического напыления и наплавки) марок ПН85-Ю15 и ПРН70Х17С4Р4. Химический состав данных марок порошков приведен в таблице 2.1. Для получения опытных вариантов покрытий с заданными свойствами были приготовлены смеси порошков ПН85-Ю15 и ПРН70Х17С4Р4 с различным процентным соотношением этих порошков в общем объеме смеси. Маркировка опытного варианта покрытия указывала на процентный состав порошка, образующего упрочняющую фазу Cr₃C₂ (порошок марки ПРН70Х17С4Р4) в объеме смеси (Табл.2.2).

Смеси порошков для напыления были получены механическим замешиванием. Размер частиц находился в диапазоне 40 - 100 мкм.

Таблица 2.1 Требования по химическому составу порошков для напыления

№ п/п	Марка порошка	Химический состав, %
		Ni	Fe	C	Cr	Si	Al	B	N
1	ПН85-Ю15	основа	0,2	0,07	-	-	12-15	-	0,08
2	ПРН70Х17С4Р4	основа	до 5	0,8-1,2	16-18	3,8-4,5	-	3,1-4,0	-

Таблица 2.2 Процентное соотношение порошков в смеси для напыления

№ п/п	Маркировка образца	Соотношение порошков в смеси,
		ПН85-Ю15	ПРН70Х17С4Р4
1	Н0 (0)	100	0
2	Н2 (20)	80	20
3	Н4 (40)	60	40
4	Н6 (60)	40	60
5	Н10 (100)	0	100

Смеси порошков для напыления были получены механическим замешиванием. Размер частиц находился в диапазоне 40 - 100 мкм.

2.2.2 Технология напыления износостойких покрытий

Процесс напыления включает следующие операции: предварительную обработку поверхности основы для обеспечения прочного сцепления напыляемого материала; напыление материала на основу; обработку покрытия после напыления, если в этом есть необходимость.

Предварительная обработка поверхности основы является важным фактором для обеспечения прочного сцепления напыленного покрытия с деталью, так как в большинстве случаев соединение напыленного покрытия с основой происходит в результате механического сцепления. Увеличение прочности механического зацепления связано с увеличением площади поверхности основы и созданием большей активности основы, что важно и для других видов соединения. Поэтому создание развитой шероховатости на поверхности основы является важным требованием [10,24-27].

Учитывая технологичность, простоту и эффективность механической активации поверхности для колец блокирующих синхронизатора, применялась обдувка абразивным материалом. В этом случае на поверхности, подвергнутой обдувке абразивным материалом, образуются многочисленные выступы и впадины. Кроме того, обдувка абразивом позволяет удалять тонкий слой масла и окислов, которые могут быть на поверхности детали.

Рациональной следует считать подготовку абразивным материалом острогранной формы, так как абразивное воздействие любого абразива на подготавливаемую поверхность в значительной мере определяется наличием острых граней у отдельных частиц, а также длительностью сохранения остроты граней и размера частиц в процессе подготовки. Известно, что с уменьшением размеров частиц абразива в процессе подготовки уменьшается их масса, а следовательно, уменьшается и кинетическая энергия отдельных песчинок [27].

Максимальная прочность сцепления получается тогда, когда размеры частиц распыленного металла меньше, чем ширина впадин, возникших на поверхности в результате подготовки. При большей шероховатости не достигается значительного развития поверхности, как это достигается при меньшей, поэтому степень шероховатости должна быть оптимальной [28].

Абразивный материал выбирается в зависимости от назначения подготавливаемой детали и твердости ее материала, материала и толщины покрытия [10,24,28]. Кроме того, выбор зернистости абразива зависел в большей степени от шага конической резьбы рабочих поверхностей колец синхронизатора: при небольшом шаге следует обрабатывать поверхности мелкозернистым абразивным материалом, так как иначе не удается добиться нужной степени шероховатости [28,29]. Также для получения качественного покрытия на кольце не допустимо наличие частиц абразивного материала после обдувки. Поэтому, с учетом предъявляемых требований к покрытию и геометрии кольца блокирующего синхронизатора, а также исходя из твердости материала основы, предварительную обработку рабочей поверхности колец блокирующих синхронизатора проводили с использованием электрокорунда нормального марок 12А, 14А (ГОСТ 28818) с зернистостью 63-Н, 80-Н. После обработки электрокорундом получается «бархатистая» поверхность. Абразив из электрокорунда можно использовать до 30 раз [28].

Качество подготовки поверхности определяется степенью шероховатости, которая в свою очередь зависит и от режима работы аппарата (установки).

Основные параметры режима:

давление сжатого воздуха;

дистанция - расстояние от среза сопла аппарата до поверхности;

угол наклона струи абразива к поверхности детали.

Для обработки деталей из цветных металлов такие параметры как давление сжатого воздуха и дистанция выбираются обычно опытным путем (уменьшая давление или увеличивая дистанцию). Учитывая резьбовой профиль колец синхронизатора давление сжатого воздуха необходимо устанавливать и поддерживать в диапазоне, необходимом для обеспечения развитой шероховатости без существенного изменения геометрии зуба. Значение рабочего давления находилось в диапазоне 1,5 - 2 кгс/см², дистанция выдерживалась не более 70-80 мм. Для проработки всех участков резьбовой поверхности кольца синхронизатора, до нанесения покрытия, угол атаки струи, по отношению к торцу кольца, изменялся в пределах примерно 10 - 80.

Время между обдувкой и напылением должно быть по возможности минимальным, так как шероховатая основа является активной и легко окисляется. С увеличением этого промежутка времени ухудшается сцепление покрытия с основой [28].

Используемая технология газопламенного напыления (ГПН) должна отвечать следующим требованиям. Сжатый воздух, используемый для распыления материалов, должен быть сухим и не содержать масла. Давление сжатого воздуха должно быть выше 3,5 кгс/см² [10], поверхность под напыление не должна содержать следов влаги, окалины и других загрязнений.

Расстояние от горелки до поверхности детали обычно составляет 75 - 250 мм. Выбор величины этого расстояния обычно зависит от напыляемого материала, а также от его свойств. При очень малом расстоянии может возникнуть опасность коробления основы под действием термических напряжений. Как правило, температура поверхности не должна превышать 260С. Когда же расстояние слишком большое, температура летящих частиц снижается, что приводит к образованию рыхлого покрытия и уменьшению адгезионных и когезионных связей.

Наибольшая деформация напыляемых частиц при соударении с поверхностью основы происходит, если горелка установлена под углом 90. В случаях, когда невозможно обеспечить этот угол, покрытия получаются с несколько худшими характеристиками. Допустимый угол наклона горелки, при котором можно наносить покрытие, составляет 45 - 135 [10].

Одним из критериев, который позволяет определить область применения и эксплуатационные характеристики покрытий, является их толщина. Минимальная толщина покрытия должна выбираться из конструктивных соображений и включать в себя: припуск на обработку после напыления (например, притирку) и некоторый допуск на неизбежный износ. Необходимо учитывать также, что газотермические покрытия с большой толщиной подвержены воздействию внутренних напряжений, приводящих к скалыванию напыленного материала либо уже в процессе его получения, либо при механической обработке или во время эксплуатации. Отколовшиеся частицы в виде абразива, попадая в зону трения, приводят к катастрофическому износу и выходу из строя пары трения. Кроме того, под действием напряжений может произойти разрушение контактной зоны и, в конечном счете, отделение покрытия от основы [10].

Известно, что адгезионная прочность сцепления покрытия с деталью с ростом толщины покрытия уменьшается [10,19,30] из-за действия напряжений. Поскольку площадь контакта детали с покрытием не меняется, а суммарные напряжения в покрытии с увеличением его толщины возрастают, становится очевидным факт их превалирующего влияния на величину прочности сцепления покрытий с основой. Поэтому, критической толщиной покрытия, без последующего оплавления, следует считать толщину равную не более 1,0 мм [10].

Традиционно технология напыления газотермических покрытий на рабочую поверхность кольца блокирующего синхронизатора производится тремя способами: покрытие наносится на всю рабочую поверхность готовой детали, с последующий притиркой (если в этом есть необходимость); на рабочую поверхность, отштампованной заготовки кольца, наносится слой покрытия, толщиной необходимой для последующей механической нарезки резьбы в теле покрытия; либо для увеличения прочности сцепления покрытия с основой рабочая поверхность отштампованной заготовки кольца предварительно обрабатывается (например нарезается рваная резьба) под напыление и наносится слой покрытия, толщиной также необходимой для последующей механической нарезки резьбы в теле покрытия [14].

Очевидно, в условиях массового производства довольно сложная технология таких способов напыления на кольца блокирующие синхронизатора существенно снижает производительность. Кроме этого увеличиваются затраты на материалы вследствие низкого коэффициента использования материала (потери материала при напылении составляют около 25%) [19].

Особенностью работы кольца блокирующего синхронизатора является то, что нагружение конусной резьбы кольца синхронизатора происходит только при посадке на конус муфты во время цикла синхронизации. При этом на вершины резьбы действует сдвигающие усилие вдоль образующей конуса. В связи с этим предполагается наносить упрочняющее покрытие только на поверхность резьбы, воспринимающую нагрузку.

Поскольку рабочая часть кольца блокирующего синхронизатора выполнена в виде резьбы на наружном конусе, имеется возможность напыления покрытия с разных сторон кольца: со стороны заднего или соответственно переднего торца (рис.2.9).

Для определения влияния на износостойкость покрытия направления напыления (по отношению к торцу кольца) на оборудовании ТГУ были изготовлены опытные блокирующие кольца 2101-1701164, напыленные с разных сторон (рис.2.9) составом из 60% ПН85 - Ю15 + 40% ПРН70Х17С4Р4, маркировка Н4 (табл.3.2).

Рис.2.9. Схема напыления покрытия на блокирующее кольцо (на примере 2101-1701164)

2.5 Разработка схемы опытной установки для нанесения износостойкого покрытия на кольца блокирующие синхронизатора

Схема газопламенной установки, представленная на рис.2.10, предназначена для нанесения износостойких покрытий из порошковых материалов на кольца блокирующие синхронизатора ВАЗ 2123.

2.5.1 Описание принципа действия установки для газопламенного напыления

Установка для газопламенного напыления покрытия на кольца блокирующие синхронизатора ВАЗ 2123 представляет собой совокупность четырех камер, разделенных внутренними перекрытиями в виде резиновых шторок. В первой камере происходит загрузка заготовок и разгрузка напыленных колец. Во второй камере происходит абразивная обработка кольца. Она необходима для того, чтобы удалить тонкий слой масла и окислов, которые могут быть на поверхности заготовки. В качестве абразивного материала используется электрокорунд нормальный марок 12А, 14А (ГОСТ 28818) с зернистостью 63-Н, 80-Н. Вращение заготовки относительно пескоструйного пистолета должно осуществляться со скоростью 15 об/мин. Расстояние между обрабатываемой поверхность кольца и соплом пистоле должно составлять 200-250 мм. В третьей камере осуществляется обдувка заготовки воздухом под давлением 5-6 кгс/см² для удаления остатков абразивных частиц с поверхности заготовок перед напылением. Частота вращения заготовки относительно сопла подачи воздуха составляет 20 об/мин. В четвертой камере происходит напыление порошковых самофлюсующихся материалов на коническую поверхность трения кольца. Параметры, которые нужно соблюдать в процессе напыления:

- рабочее давление кислорода………………….1,5-2 кгс/см²

- рабочее давление ацетилена…………………..0,8-1 кгс/см²

- рабочее давление воздуха……………………....5-6 кгс/см²

- расход кислорода………………………………..1-1,15 м³/час

- расход ацетилена………………………………..0,8-1,2 м³/час

- расход воздуха…………………………………..до 3 м³/час

- расход порошка………………………………….5 грамм/кольцо

- скорость напыляемого потока…………………..330 м/с

Вращение заготовки относительно газопламенного пистолета должно осуществляться со скоростью 10 об/мин.

Переход заготовки из одной камеры в другую осуществляется посредством вращения внутреннего корпуса относительно наружного неподвижного. Таким образом, данная установка должна иметь четыре привода - для трех камер, кроме разгрузки-загрузки и для вращения внутреннего корпуса.

Принцип действия газопламенного пистолета (рис.2.11) состоит в следующем. Подводимый к горелке кислород, проходя через инжектор, создает в нем разряжение, в результате чего в кольцевую камеру засасывается ацетилен и смешивается с кислородом. В камере имеются восемь сопел, расположенных симметрично. Кислородно-ацетиленовая смесь, фокусируется с образованием резкой границы в структуре пламени. Через центральный канал подается с определенной скоростью и определенного состава напыляемый материал. Порошковый материал, в зависимости от назначения детали, меняет свой химический состав (упрочняющая и пластифицирующая фаза) вплоть до включения твердой смазки в виде плакированного графита. Газопламенная горелка может работать в любом пространственном положении: она может быть закреплена неподвижно или в специальном приспособлении, которое перемещается вдоль вращающегося изделия. Подача кислорода и ацетилена - от баллонов через специальные редукторы и ротаметры. Установка позволяет наносить покрытия из различных металлов, керамики, а также из порошков самофлюсующихся и композиционных материалов. Для устранения таких дефектов покрытия как:

а) низкая адгезионная прочность, вызванная низкими скоростями напыления;

б) окисление частиц вследствие их перегрева;

в) перегрев изделия в целом,

а также для ускорения периферийных частиц и самого порошкового факела используется новое сопло, выполненное в форме двойного сопла Лаваля.

В сверхзвуковом сопле, называемом соплом Лаваля, газовый поток преобразуется таким образом, что скорость истечения становится больше скорости звука:

М>1, и w_a>a (2.9)

Рассмотрим случай одномерного течения газа по сверхзвуковому соплу. Уравнение неразрывности дает:

G=p·w·F=const (2.10)

Газ движется по соплу с ускорением, поэтому при малой скорости, когда плотность газа можно считать неизменной, необходимо уменьшать сечение. Этим обусловлено сужение начальной части сопла. при дальнейшем расширении газа, увеличение скорости сопровождается заметным уменьшением давления и, следовательно, плотности газа, что частично компенсирует рост скорости, и поэтому сужать сечение канала нужно уже не так быстро. Наконец, процесс проходит через такую стадию, когда плотность расширяющегося газа уменьшается обратно пропорционально скорости. Как известно, в этом сечении канала скорость потока равна скорости звука. Дальнейшее увеличение скорости сопровождается еще более быстрым падением плотности, вследствие чего, как это следует из уравнения неразрывности, сечение сопла должно увеличиться.

Таким образом, сверхзвуковое сопло, предназначенное для получения сверхзвукового потока, должно состоять из сужающейся (дозвуковой) и расширяющейся (сверхзвуковой) частей (рис.2.12). В самом узком сечении сверхзвукового сопла (критическом сечении) скорость потока равна звуковой.

Теоретический расчет газовых горелок является весьма сложным, так как связан с комплексными расчетами процессов смещения, горения и теплоотдачи, которые должны обеспечивать не только высокую энтропию сжигания газового топлива, но и минимально возможную концентрацию вредных компонентов продуктов сгорания. Так как такой методики еще не существует, то при расчете горелок приходится пользоваться рядом приближенных данных, полученных из практики или отдельных экспериментов.

Рис.2.12. Сопло Лаваля

Рис.2.13. Зависимость безразмерной площади сопла Лаваля от числа М (к=1,4)

Однако w=аМ и Мкр=1, поэтому

(2.11)

Но известно:

(2.12)

(2.13)

Следовательно:

(2.14)

(2.15)

Отсюда следует:

(2.16)

Для воздуха к=1,4, поэтому имеем:

(2.17)

Из этих формул видно, что безразмерное значение площади сечение сопла является функцией только числа М. Где М-число маха = 330 м/сек.

Если задается конфигурация сверхзвукового сопла, то можно указать, какое число М получается в любом сечении. Каждому значению числа М соответствует определенная величина отношения F/Fкр. Кривая F/Fкр = f(M), построенная по формуле (2.17), приведена на рис.2.13. При этом, как видно из кривой, уравнение (2.17), и значит уравнение (2.11), имеет два решения; одному и тому же F/Fкр отвечают два значения числа М: одно при дозвуковой скорости и другое при сверхзвуковой скорости. Для входной части сопла, предшествующей критическому сечению, годны все дозвуковые решения, а для выходной части - все сверхзвуковые. Однозначное решение получается только в критическом сечении (F/Fкр=1).

Давление и плотность газа при идеальном процессе зависят однозначно от числа М. Отсюда следует, что, выбрав произвольное сечение, мы получим в этом сечении определенное значение числа М, которому соответствует определенные значения температуры, давления и плотности газа (с точностью до влияния пограничного слоя).

Величина скорости в данном сечении сверхзвукового сопла зависит только от температуры торможения Т*. Изменение полного давления с* на скорость не влияет, так как пропорционально ему изменяется и местное давление с, а их отношение остается неизменным, также остается неизменным и отношение температур:

(2.18)

Для получения на срезе сверхзвукового сопла, определенного значения числа М необходимо соответствующим образом подобрать площадь сечения, кроме того, надо иметь достаточный запас давления в камере перед соплом. Другими словами, для достижения требуемого числа М на срезе сопла давление в камере должно в известное число раз превосходить давление окружающей среды.

Предположим, что давление в камере с* возросло, тогда на срезе сопла давление также увеличивается и газ истекает с избыточным давлением. Где-то за срезом сопла давление уравняется с атмосферным, избыток давления израсходуется в струе на увеличение скорости, а так как для сверхзвукового потока увеличение скорости требует увеличения поперечного сечения струи, то струя как бы образует в пространстве расширяющееся сверхзвуковое сопло. Если же давление в камере по какой-либо причине понизится, то на срезе произойдет понижение давления, причем давление в некоторых случаях может получиться ниже атмосферного; скорость истечения при этом не изменится, так как она является функцией только отношения площадей выходного и критического сечений сопла. Изменение давления в атмосфере не сказывается на истечении из сопла, так как волна давления, распространяющаяся со скоростью звука, сносится сверхзвуковым газовым потоком.