CC BY
12
/¡ffTTr^r: rtmnnwrrsi /ICK
- 1 (37). 2006/ I Uli
Afew tendencies and results of the work of the*\ department "Technologies of coatings of RUP "Technopark BNTU "Metolit" in the field of creation of rational technologies of wear-resistant coverings are examined. The complex approach to decision of arising scientific, technological, construction and organizational processes is shown. The concrete examples of the realized y^and introduced developments are given. ^
Т. Г. ГОРАНСКИЙ, Э. К ТОЛСТЯК, В. В. САРАНЦЕВ, УП«Технопарк БИТУ«Метолит»
УДК 621.81.004.67
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЙ И ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ ПОВЕРХНОСТИ В УП «ТЕХНОПАРК БНТУ «МЕТОЛИТ»
Введение
Бурное развитие важнейших отраслей современной промышленности невозможно без использования и разработки новых ресурсосберегающих технологий. Важная роль при этом принадлежит технологиям, позволяющим придать особые свойства поверхностным слоям, а также восстанавливать детали, работающие в различных условиях эксплуатации, с целью повышения их эксплуатационной стойкости, надежности, снижения эксплуатационных затрат. Как известно, одной из операций при нанесении покрытий является подготовка поверхности. В настоящее время используются следующие наиболее известные методы подготовки поверхностей деталей перед нанесением покрытий или покраской: струйно-абразивная; механическая; электроискровая обработка; химическая.
Для активации и придания нужной шероховатости поверхности деталей перед напылением или покраской их наиболее часто подвергают струйно-абразивной обработке. В зависимости от источника энергии, сообщающего движение зернам абразива, различают абразивно-пневматический и абразивно-центробежный способы очистки поверхности. Кроме того, в промышленности применяют комбинированные методы очистки, например абразивно-пневможидкостный, абразивно-пневмоцентробежный и др. Наиболее широко распространены абразивно-пневматический и абразивно-центробежный, известные как дробеструйный и дробеметный способы очистки.
Цель
Основная цель струйно-абразивной обработки (CAO) состоит в очистке поверхности основы от адсорбированных загрязнений и оксидных пленок. Кроме того, в результате CAO формируется рельеф с определенной шероховатостью, а также
имеет место упрочнение поверхностного слоя металла.
Упрочнение металлов в процессе пластической деформации (наклеп) является следствием увеличения плотности дислокаций, количества двумерных и других дефектов, что сопровождается изменением как физико-механических свойств, так и общей химической активности металлической поверхности. Указанные причины позволяют изменением степени предварительной пластической деформации и условий деформирования поверхности основы влиять на величину диффузионной зоны, площади взаимодействия и другие характеристики покрытий в результате предварительного дробеструйного наклепа поверхности основы. Однако при напылении могут быть реализованы условия, в которых влияние наклепа поверхности на прочность сцепления покрытий с основой не обнаруживается.
Методы исследования степени очистки CAO
Экспериментальные исследования влияния предварительного активирования основы на величину переходной зоны проводили на образцах стали 45. Этот выбор был обусловлен тем обстоятельством, что именно среднеуглеродистые стали наиболее часто используются в качестве оснований при нанесении покрытий, так как при достаточном уровне механических свойств и разумной стоимости обладают хорошей технологичностью. Предварительная деформация образцов осуществлялась дробеструйной обработкой. Образцы из стали 45 толщиной 20 мм шлифовались. Наклеп устранялся дегазационным отжигом при 200°С в течение 2 ч. В дальнейшем после обезжиривания в этиловом спирте осуществлялась CAO. В качестве абразивного материала была использована чугунная колотая дробь ДЧК (ГОСТ 1196481) трех основных фракций: 1,0; 0,85 и 0,5 мм.
Ififi If^TbC: ГГ ГСЯГШГГrrcis
I U U / 1 (37). 2006 -
CAO осуществляли на установке напорного типа. Режим CAO: дистанция от сопла пистолета до обрабатываемой поверхности — 300 мм, угол атаки абразива — 60°, давление воздуха в системе — 6,5 кгс/см2. Таким образом, контролируемыми и изменяемыми параметрами были размер частиц абразива и время CAO.
Степень упрочнения поверхностного слоя металла N после CAO оценивалась как:
АН / Ям0 = (Я - Я0) / Ям0,
где H 0 и соответственно микротвердость
поверхностного слоя материала до и после CAO.
Все полученные экспериментальные величины подвергали статистической обработке. Оценки и доверительные интервалы полученных результатов по ГОСТ 11004 4 определяли следующим образом: Выборочное среднее:
п
выборочная дисперсия:
S = (\/(n-^(xi-x)2)l/2 ;
/=1
относительная погрешность измерения:
z = (S/x) -100%;
доверительный интервал:
*-'<* tn<nl,2<X + tatnS/nl,29
где х._{ — результат /-го измерения; ta п — коэффициент Стьюдента (принимался равным 0); п — число измерений.
Результаты приведенных экспериментов и обсуждение
Эффективность CAO для всех используемых типов дроби наступает уже через 20—30 с. Дальнейший рост N по мере увеличения длительности процесса уже незначителен.
Наибольший наклеп при выбранных параметрах обработки был получен дробью с размером частиц 1,0 и составил 0,8. Высота неровностей при измерении шероховатости также обладает наибольшим значением у дроби с размером частиц 1 мм (табл. 1).
Таблица 1. Зависимости степени упрочнения и значения шероховатости от размера фракций
абразива
Размер фракции абразива ДЧК, мм Значение степени упрочнения N Значение шероховатости, мкм
1,0 0,8 23-25
0,85 0,6 18-20
0,5 0,4 10-12
Полученные результаты свидетельствуют об эффективности предварительной пластической деформации, что можно объяснить тем, что она служит фактором накопления свободной энергии поверхностного слоя подложки. Вместе с тем исследования влияния степени наклепа на глубину переходной зоны нанесенного покрытия (рис. 1) показали, что существует оптимум величины степени пластической деформации. Дальнейшее увеличение этого параметра сопровождается интенсификацией разрушения основы, в результате чего уменьшается накопленная ею энергия.
Однако при выборе установки, режимов, материала абразива скорость и качество очистки зависят от состояния очищаемой поверхности и требуемой степени очистки. По необходимой производительности (м2/ч) обработки подбираются давление, производительность компрессора и диаметр сопла (табл. 2).
Также важно учитывать:
• Диаметр проходного отверстия сопла. В процессе работы сопла его внутренний диаметр будет увеличиваться за счет износа. В этом случае возрастет потребность абразивоструйного аппарата в сжатом воздухе.
250
200
150
СгВо
TiC
100
0,2 0,4 0,6 0,8
Рис. 1. Влияние степени предварительной пластической деформации стали 45 на глубину переходной зоны при нанесении покрытий ТЮ, СгВ2 экзотермореакционным электроискровым упрочнением [1]
ЛГГТТгГс ГТ Г^ГПГ.Г/гТГГП /1ß7
---—-- 1 (37). 2006/ I U#
Таблица 2. Подбор оптимальных режимов работы CAO
Расход воздуха, абразива, производительность для степени очистки Ба 2 } 2
диаметр абразивного шланга, мм диаметр воздушной линии, мм диаметр давление воздуха, бар основные показатели
сопла, мм 3,5 4,9 5,6 6,3 7,0 8,0
25 (') 6,5 130 1 1,3 160 3 1,7 180 6,5 1,9 200 8,0 2,1 225 9,5 2,3 250 12 2,6 Расход абразива, кг/ч Производительность, м2/ч Расход воздуха, м3/мин
25(f) 32 ОХ") 8,0 260 3 2,1 270 6 2,9 300 9 3,2 330 12 3,6 380 15 3,9 420 17 4,4 Расход абразива, кг/ч Производительность, м2/ч Расход воздуха, м3/мин
32(1 У") 38(1 У") 9,5 380 5 3,0 400 8 4,0 430 12 4,5 470 17 4,9 520 19 5,5 600 22 6,2 Расход абразива, кг/ч Производительность, м2/ч Расход воздуха, м3/мин
32(1 У") 50(2') 11,0 400 8 4,1 470 10 5,5 590 15 6,1 650 18 6,7 710 20 7,1 930 24 8,2 Расход абразива, кг/ч Производительность, м2/ч Расход воздуха, м3/мин
32(1 У) 50(2') 12,5 450 10 5,4 580 12 7,1 760 16 7,9 840 19 8,7 920 24 9,5 1200 30 10,6 Расход абразива, кг/ч Производительность, м2/ч Расход воздуха, м3/мин
• Увеличение диаметра сопла на 1,5 мм влечет за собой увеличение подачи сжатого воздуха при постоянном давлении на 60%. При отсутствии возможности повысить подачу воздуха эффективность обработки поверхности резко снижается. В таких случаях изношенное сопло необходимо заменить соплом меньшего диаметра.
• Чем длиннее воздушный шланг, тем больше потери давления.
• Воздушная магистраль из правильно подо-браных стальных труб сводит потери к минимуму.
Выбор необходимой установки для проведения САО
Наряду с собственными разработками установок для САО и технологий очистки деталей различной сложности и назначения УП «Технопарк БИТУ «Метолит» активно сотрудничает в этих областях с ОДО «Тена» и ведущими зарубежными фирмами: SAPI (Германия), Airblast (Нидерланды), С.М. SURFACE TREATMENT S.p.A (Италия) и др.
Принцип действия струйного аппарата основан на преобразовании энергии сжатого воздуха в кинетическую энергию потока абразивных частиц. Для этого применяются аппараты двух систем: нагнетательной и всасывающей (инжекционной).
Струйные аппараты нагнетательного типа делятся на аппараты периодического и непрерывного действия. Аппараты периодического действия имеют рабочую камеру, в которую засыпается определенная порция абразива. После израсходования абразива аппарат перезаряжают, для чего снижают давление в рабочей камере до атмосферного и засыпают новую порцию абразива.
Использование аппаратов непрерывного действия или двухкамерных позволяет избежать необходимости остановок технологического процесса очистки для наполнения камеры абразивом.
Передвижные дробеструйные установки открытого типа
Пневматические дробеструйные установки открытого типа для сухой дробеструйной обработки применяются для очистки, предварительной обработки и отделки поверхности различных металлических и неметаллических изделий, в дробеструйных камерах с обратным перемещением абразивного средства, а также при дробеструйной обработке на открытом пространстве при монтажных работах.
Конструкция пневматических дробеструйных установок позволяет применять большинство из обычно предлагаемых типов и размеров абразивных средств, т.е. металлические (колотая сталь, колотый чугун, стальной гранулят — дробь) и неметаллические (шлак, корунд и т.п.). Тип и размер абразивного средства зависят от основного материала обрабатываемых деталей, от их исходной поверхности и требуемой финальной поверхности.
Персонал, обслуживающий дробеструйные установки открытого типа, применяя защитные вспомогательные средства для дробеструйной обработки, пользуясь пневматическим дистанционным защитным управлением, находящимся в конце дробеструйного шланга, управляет процессом дробеструйной обработки и применяет для этого систему включить—выключить.
Пневматические дробеструйные установки открытого типа подразделяются как по исполнению, так и по типу (рис. 2):
а) установка струйно-абразивной очистки инжекционного типа М-УСАО-ИТ50;
б) дробеструйная мобильная напорная установка Mammut" SAPI (с различным объемом бункера);
в) дробеструйная мобильная напорная установка для беспрерывной работы двухбочковая.
168 /i
б
Рис. 2 Передвижные дробеструйные установки открытого типа
Передвижные беспыльные дробеструйные установки с возвратом дроби
Для беспыльной очистки используется мобильное комбинированное оборудование (рис. 3), сочетающее струйно-абразивный аппарат; пылеулавливающий фильтр; сепаратор и циклон для абразива. В зоне обработки происходит отсос пыли и частиц абразива специальной насадкой (рис. 3, а), в которой расположено сопло. Пыль и частицы старой краски накапливаются в специальной емкости для дальнейшей утилизации. Для работы в углах, на кромках и прочих не плоскостных
элементах применяется рад специализированных насадок. В процессе работы почти не происходит пылевыделения и потери абразива. Поэтому становится рентабельным использование твердых абразивов типа карбид бора, что значительно увеличивает производительность процесса очистки.
Установка, показанная на рис. 3, а, применяется для очистки сварных швов, валов, крупногабаритных изделий, емкостей, цистерн, бункеров, корпусов машин и т.п.
Выбор установки для беспыльной дробеструйной очистки зависит от задач очистки, требуемой производительности, цены установки.
а б в
Рис. 3. Передвижные беспыльные дробеструйные установки с возвратом дроби
Кабины и обитаемые камеры для CAO
Чаще всего очистка деталей производится в закрытой кабине, куда помещается деталь. Габариты кабины ограничивают максимальные размеры очищаемых деталей. Выбор типа кабины оаыгсит от задач очистки. Для высокопроизводительной очистки тяжелых деталей рекомендуется применять кабины напорного типа (рис. 4, а).
Обитаемые камеры (рис. 4, б) позволяют очищать крупногабаритные изделия: крупногабаритные металлоконструкции (рис. 4, в), опоры, технику, плавсредства, железнодорожные вагоны и т.п.
В зависимости от потребностей Заказчика камеры оснащаются системой сбора и регенерации струйного материала с ковшовым элевато-
ром, сепаратором материала, бункером-накопителем и напорной струйной установкой SAPI типа Mammut; транспортно-рельсовой тележкой, системами автоматического сбора и подачи абразива - скребковым транспортером, промышленными фильтрами и системами вентиляции.
Для быстрой организации работ по струйной очистке особенно удобны контейнеры SAPI (на базе 20-футовых морских контейнеров), которые приспособлены как для мобильного, так и стационарного использования. Контейнеры для САО могут оснащаться различными напорными установками, системами сбора материала, автоматическими и полуавтоматическими устройствами подачи заготовок и фильтро-вентиляционными установками и располагаться как внутри, так и снаружи контейнера.
гл:т\:С: г: п^ш^глтгта
Рис. 4. Кабины и обитаемые камеры
Дробеметные установки
Дробеметные установки применяются для очистки от ржавчины, окалины, снятия облоя, очистки (зачистки) литья, поверхностной обработки рессор (труб) и механических элементов для увеличения усталостной долговечности и т.п. Они обладают большей производительностью очистки за счет большего расхода струйного материала, скорость дроби составляет при этом 70-80 м/с. Разгоняется дробь центробежной силой вращающегося лопастного колеса (турбины, дробемета).
Работа на оборудовании проста и не требует специального обучения, в общем работа оператора ограничена загрузкой и разгрузкой. Фактически
дробеметная установка представляет собой технику, экономящую энергию, время, труд.
В дробеметной установке с вращающимся столом (рис. 5, а) детали располагаются на вращающемся столе и равномерно обрабатываются широкоугольным потоком дроби, который образуется в результате вращения одной или более турбин. Для CAO прокатной продукции, такой, как металлические листы, прокат различного профиля, трубы, а также плоских металлоконструкций приметаются дробеметные установки с рольганговым конвейером. На рис. 5, б показана дробеметная установка с подвеской, а на рис. 5, в — дробеметные установки с непрерывной обработкой на транспортере.
Рис. 5. Дробеметные установки
Выводы
CAO позволяет не только эффективно очищать поверхности деталей перед нанесением покрытий или покраской, но также и подготовить поверхность — активировать, что также дает возможность повысить плотность и адгезионные свойства покрытия.
В процессе дробеметной обработки создаются многочисленные напряжения сжатия (наклеп), увеличивающие жизнестойкость деталей, работающих при циклических нагрузках и в условиях агрессивности внешней среды. Естественно, что подобная обработка позволяет устранить напряжения растяжения, возникающие, например, после операции шлифования, а также в результате деформации детали при термообработке.
Упрочнение дробеструйным наклепом позволяет увеличить срок службы сварных швов на 310%, коленчатых валов двигателей — на 900, спиральных пружин — на 137, рессор — на 500, зубчатых колес — на 1400% [2].
Литература
1. Реут О.П., Коваль В.А., Саранцев В.В. Оптимизация технологии восстановления поверхностей трения износостойкими карбидными покрытиями методом экзотер-мореакционного электроискрового упрочнения // Вестн. Полоцкого гос. ун-та, В, прикладные науки (Технология и оборудование для восстановления и упрочнения деталей), 2005. № 6. С. 67-72.
2. Поляк М.С. Технология упрочнения (технологические методы упрочнения): Справ. В 2-х т. Т. 2. М.: JI.B.M. СКРИПТ, 1995.
