СПОСОБ ПЛАЗМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ ПОКРЫТИЙ НА ВНУТРЕННЮЮ ЦИЛИНДРИЧЕСКУЮ ПОВЕРХНОСТЬ Российский патент 2003 года по МПК C23C4/16 C23C4/02 

Изобретение относится к способам нанесения покрытия и восстановления изношенных поверхностей деталей, работающих в парах трения, и может быть использован в различных отраслях народного хозяйства.

Известен способ плазменного напыления покрытий деталей, имеющих форму тел вращения, включающий механическую обработку поверхности изношенного участка, напыление с непрерывным обдувом подложки сжатым воздухом [1].

Недостатком данного способа является то, что он создает низкие адгезионные и когезионные прочностные свойства покрытия, которые в условиях высоких температур и при высоком давлении при знакопеременных нагрузках образуют усталостные трещины.

Известен способ получения износостойких покрытий на внутреннюю поверхность металлических труб нанесением материала при вращении труб вокруг горизонтальной оси [2].

Недостатком данного способа являются низкие адгезионные и когезионные прочностные свойства покрытия.

Известен способ плазменного напыления покрытия деталей, включающий механическую обработку поверхности, охлаждение напыляемого слоя при вращении детали и в процессе напыления обдувание аргоном [3].

Недостатком данного способа является то, что покрытие деталей обладает низкими адгезионными и когезионными свойствами, особенно при знакопеременных нагрузках и высоких температурах и давлениях.

Данное техническое решение выбрано авторами в качестве прототипа.

Техническим результатом изобретения является восстановление изношенных внутренних цилиндрических поверхностей путем нанесения плазменного напыления покрытия повышенных адгезионных и когезионных свойств, работающих в условиях высоких температур и высоком давлении, и сокращение затрат на обработку.

Технический результат достигается тем, что в известном способе плазменного напыления покрытий на внутреннюю цилиндрическую поверхность, заключающемся в механической обработке поверхности путем нарезания "рваной" резьбы, напылении подслоя и основного покрытия при постоянном и интенсивном охлаждении и вращении цилиндрической поверхности вокруг горизонтальной оси и окончательной обработки поверхности, "рваную" резьбу нарезают на величину, равную 0,15-0,3 мм, с одновременным снятием припуска на толщину покрытия со стандартным шагом нарезания и углом заточки резца, напыление подслоя и основного покрытия производят при постоянной сквозной продувка воздухом внутренней цилиндрической поверхности при его расходе до 20 м³/мин и с одновременной подачей струи воздуха вокруг зоны напыления. Совокупность существующих признаков с глубиной нарезания "рваной" резьбы от 0,15-0,3 мм позволяет достичь повышенные адгезионные свойства покрытия, а дополнительно предлагаемые операции - сквозная продувка воздухом внутренней, цилиндрической поверхности создает очистку поверхности перед напылением и интенсивное охлаждение каждого слоя напыленного покрытия, подача струи воздуха вокруг зоны напыления позволяет дополнительно очистить поверхность от загрязнений до и после послойного напыления путем направленных воздушных потоков.

Вводимые дополнительные операции позволяют повысить качество напыления и также сократить процесс окончательной механической обработки поверхности за счет исключения операции хонингования.

Предложенный способ плазменного напыления покрытий на внутреннюю цилиндрическую поверхность заключается в следующем.

Предварительная обработка поверхности происходит путем нарезания "рваной" резьбы с одновременным снятием припуска на толщину покрытия и образованием нитки "рваной" резьбы глубиной 0,15-0,3 мм. В этом случае шаг резьбы S определяют из зависимости
S = (0,3 - 0,6) tg L/2, мм
где (0,3-0,6) - необходимая двойная глубина нитки резьбы в мм;
L - угол заточки резца (L=30-90).

Далее производится абразивоструйная обработка поверхности.

Если между началом процесса нарезания покрытия происходит не более часа, абразивоструйную обработку можно не производить.

Плазменное напыление покрытия производят при вращении цилиндрической поверхности со скоростью от 100 до 600 мм/с, перемещая вдоль продольной оси цилиндрической поверхности генератор плазмы со скоростью 0,3-7 мм/с. Эти соотношения скоростей относительных движений цилиндра и генератора плазмы позволяют за один проход напылить покрытие толщиной слоя 0,15-0,5 мм при производительности процесса напыления 10-20 кг металла в час (причем меньшая толщина возможна для напыления подслоя).

Ограничение толщины слоя покрытия, получаемого за 1 проход генератора плазмы величиной 0,15-0,5 мм, принято из соображений обеспечения оптимальной прочности и плотности покрытия и минимального количества теплоты поступающего в материал цилиндра, т.е. таким образом возможно минимизировать остаточные напряжения цилиндра и минимизировать вероятность образования усталостных трещин в цилиндре и в покрытии.

Способ осуществляется следующим образом.

К цилиндрической поверхности с одного торца подводят генератор плазмы, а с другого торца подсоединяют, например, вентиляционную установку, позволяющую производить сквозную продувку внутренней цилиндрической поверхности воздухом.

С обеих сторон генератора плазмы устанавливают, например, воздухопроводы с перфорацией.

При вращении цилиндра включают генератор плазмы и подают материал покрытия. В воздухопроводы подают сжатый воздух и генератор плазмы начинает движение вдоль оси внутренней вращающей цилиндрической поверхности, а вентиляционная установка подсоединена к свободному торцу цилиндра и производит сквозное продувание воздухом внутренней цилиндрической поверхности с расходом до 20 м³/ч.

Воздушные струи, подающиеся вокруг зоны напыления, интенсивно охлаждают напыляемую поверхность цилиндра и одновременно очищают поверхность от осаждающихся на ней загрязнений.

Пройдя генератором плазмы вдоль внутренней цилиндрической поверхности, образовав слой покрытия толщиной 0,15-0,5 мм, у торца цилиндра генератор плазмы меняет направление движения на противоположное и цикл послойного напыления покрытия повторяют. Таким образом, необходимая толщина покрытия наносится за несколько проходов.

Далее прекращают подачу материала покрытия, генератора плазмы или выключают или снижают силу тока и выводят из цилиндра. Отключая вентиляционную установку, прекращают подачу сжатого воздуха вокруг зоны напыления. Вращение цилиндра прекращают.

Напыленный цилиндр снимают и цикл с другой цилиндрической поверхностью повторяют.

Пример реализации способа.

Производилось восстановление цилиндра внутренним диаметром D_ном=240 мм и длиной 573 мм тепловозного дизеля.

Предварительная подготовка заключалась в следующем:
- мойка цилиндра;
- нарезание "рваной" резьбы до диаметра D_np=238,7 мм при подаче резца S= 0,35 мм/об. Угол заточки резца L=60;
- абразивно-струйная обработка производилась в камере при давлении воздуха 5 кг/см² и расходе 6 м³/мин. Абразив - белый корунд с грануляцией 0,8-1,2 мм.

Напыление покрытия производили со скоростью вращения цилиндра 250 мм/с. Скорость перемещения генератора плазмы 3 мм/с. Подслой наносили за 1 проход. Толщина подслоя 0,15 мм. Основное покрытие наносили слоем толщиной 0,2 мм за 1 проход.

Таким образом, за 5 проходов было нанесено покрытие толщиной 0,95 мм и диаметр цилиндра доведен до размера D=240,6 мм с учетом припуска на последующую обработку 0,3 мм на каждую сторону. Подача струи вокруг зоны покрытия производили, например, через кольцевые перфорированные воздухопроводы при давлении 4 кг/см² с расходом воздуха 3 м³/мин. Сквозную продувку внутренней цилиндрической поверхности производили, например, вентилятором с расходом воздуха до 20 м³/мин.

Последующая обработка заключалась в шлифовании поверхности цилиндра. Получено зеркало цилиндра шероховатостью R_а=0,35-0,54 мкм. В дальнейшей штатной операции - хонинговании восстановленный цилиндр не нуждается, т.к. полученное покрытие хорошо удерживает масло на своей поверхности за счет пористости плазменного покрытия.

Данное техническое решение позволяет шлифование за счет использования современных методов грубого и тонкого хонингования.

Источники информации
1. Патент 2087584, МПК С 23 С 4/12 . Способ нанесения упрочняющего покрытия на детали. Димитриенко Л.Н. и др., 1997.

2. Авторское свидетельство 518981, МПК С 23 С 3/04. Способ получения износостойкого покрытия на внутреннюю поверхность металлических труб. Югансон Э.Ю., Чернявский И.Я. и др., 1977.

3. Патент 2078846, МПК С 23 С 4/12 . Способ плазменного напыления покрытий деталей, имеющих форму тел вращения. Коберниченко А.Б., Ухалин А.С. и др., 1997 (прототип).

Изобретение относится к способам нанесения покрытий и восстановления изношенных поверхностей деталей, работающих в парах трения, и может быть использован в различных отраслях народного хозяйства. Способ заключается в механической обработке поверхности путем нарезания "рваной" резьбы на величину 0,15-0,3 мм с одновременным снятием припуска на толщину покрытия, напылении подслоя и основного покрытия при вращении цилиндрической поверхности вокруг горизонтальной оси и при постоянной сквозной продувке воздухом внутренней цилиндрической поверхности при его расходе до 20 м³/мин и с одновременной подачей струи воздуха вокруг зоны напыления. Изобретение направлено на повышение адгезионных и когезионных свойств покрытия, работающего в условиях высоких температур давления.

Способ плазменного напыления покрытия на внутреннюю цилиндрическую поверхность детали, включающий механическую обработку поверхности путем нарезания "рваной" резьбы, напыление подслоя и основного покрытия при постоянном интенсивном охлаждении и вращении детали вокруг горизонтальной оси и окончательную обработку поверхности, отличающийся тем, что нарезание "рваной" резьбы проводят на величину 0,15-0,3 мм с одновременным снятием припуска на толщину покрытия, напыление подслоя и основного покрытия проводят при постоянной сквозной продувке воздухом внутренней цилиндрической поверхности детали при его расходе до 20 м³/мин и с одновременной подачей струи воздуха вокруг зоны напыления.