Эксплуатация и ремонт машин и оборудования нефтяных и газовых промыслов 

Процесс "металлизации заключается в нанесении расплавленного металла на специально подготовленную поверхность детали распылением его струей воздуха или газа. Частицы расплавленного металла, ударяясь о поверхность детали, заполняют предварительно созданные на поверхности неровности, в результате чего происходит их механическое закрепление, а также возникает молекулярное схватывание между напыляемым и основным металлом. В резуль­тате закалки, окисления и наклепа частиц напыляемого металла твердость материала покрытия повышается. Различают газовую, электродуговую, высоко­частотную, тигельную и плазменную металлизацию. Напыляемый материал применяется в виде проволоки, ленты или порошка. Плотность напыленного слоя зависит от скорости частиц при ударе, а следовательно, от расстояния между соплом и поверхностью детали. Расплавленная шарообразная частица стали при распылении окисляется. На больших расстояниях пленка окислов успевает утолщпться, поэтому при ударе о поверхность происходит растрес­кивание оболочки с выбросом жидкого металла через трещины, и покрытие в этом случае складывается из перекрывающих друг друга чешуек. При ударе частиц металла, не образующих пленки окислов (медь и ее сплавы), полу­чается покрытие, в котором трудно обнаружить следы металлизационных частиц.

Наибольшее применение на ремонтных предприятиях получила электро­дуговая металлизация (рис. 5.24). Две электрически изолированные друг от друга электродные проволоки 1 и 2, к которым подводится электрический ток, перемещаются механизмом подачи 3 со скоростью 2,5—3,5 м/мин. При выходе из наконечников 6 проволоки пересекаются и под действием возникающей при этом электрической дуги концы их расплавляются. Через сопло 7 подается струя сжатого воздуха под давлением 4—7 кгс/см², которая распыляет распла­вленный металл на мельчайшие частицы. Частицы раскаленного металла, дви­гаясь со скоростью 75—200 м/с, наносятся на специально подготовленную по­верхность детали 4, создавая напыленный слои 5. Размер частиц зависит от режима металлизации и природы напыляемого металла, и обычно изменяется от 0,01 до 0,2—0,3 мм. Скорость струи сжатого воздуха (кривая /) быстро уменьшается по мере удаления от сопла и на расстоянии 200—300 мм оказы­вается ниже скорости частиц расплавленного металла (кривая II), движущихся по инерции. В связи с этим расстояние от сопла до металлизируемой поверх­ности должно быть 75—150 мм; в этом диапазоне скорость частиц металла наи­большая, что обеспечивает более высокое качество напыляемого слоя.

В комплект оборудования электрометаллизационной установки (рис. 5.25) входят электродуговой металлизатор 2, компрессор 11 с электродвигателем 12 для подачи сжатого воздуха, ресивер 10 для снижения пульсаций воздушного потока, фильтр 9 для очистки сжатого воздуха от масла и влаги и сварочный трансформатор для питания электрической дуги током 7. Металлизацию ведут как на постоянном, так и на переменном токе. В первом случае в качестве источника электрической дуги применяют сварочные генераторы типа ПСО-300,

ПСО-500; во втором случае — сварочные трансформаторы. Промышленностью выпускается специальный трансформатор для металлизационных устнпопок СТЭ-43-2С.

Для электродуговой металлизации выпускают стационарные и ручным металлизаторы. Характеристики электрометаллизаторов приведены в табл. Г>.8. Электрометаллизатор ЭМ-6, устанавливаемый на суппорте токарного станка, предназначен для восстановления размеров изношенных цилиндрических и плоских поверхностей.

К преимуществам злектрометаллизации следует отнести высокую произ­водительность процесса. Основные недостатки электрометаллизации — зна­чительное выгорание легирующих элементов, окисление напыляемого металла, низкие механические свойства напыленного слоя и большие потери металла при напылении. Электродуговые металлизаторы могут быть использованы для напыления сталей и цветных металлов.

При газовой металлизации проволоку напыляемого металла расплавляют ацетилено-кислородным пламенем, а распыление осуществляют сжатым воз­духом или инертным газом. Расход сжатого воздуха обычно составляет 0,6— 0,8 м³/мин, давление 3—5 кгс/см². Давление ацетилена должно быть 0,04— 0,6 кгс/см², а его расход 240—850 л/ч. Давление кислорода 2—7 кгс/см² и рас­ход 600—2100 л/ч.

Применяемая для напыления проволока подается со скоростью 4,5— 6,0 м/мин в распылительную головку с помощью специального подающего механизма, установленного в газометаллизаторе.

Схема распылительной головки показана на рис. 5.26. Через отверстие 1 в распылительную головку поступает смесь ацетилена с кислородом и по каналам направляется к соплу. Сжатый воздух поступает через отверстие 3. При выходе из сопла струя сжатого воздуха распыляет частицы расплавлен­ного металла 2 и наносит их на поверхность детали. Рекомендуемое расстоянии от сопла до детали 100—150 мм. Для газовой металлизации выпускают метал­лизаторы инжекционного типа, используемые для работ вручную и на станках.

Газовая металлизация обеспечивает получение покрытий высокого качоства. Выгорание легирующих элементов и содержание окислов в напыленном слое при газовой металлизации значительно меньше по сравнению с электро­металлизацией .

Недостатком газовой металлизации является необходимость в горючем газе и более высокая стоимость покрытия. Газовая металлизация широко ис­пользуется для напыления тугоплавких сплавов и металлов, например, титана.

Одним из прогрессивных методов является плазменно-дуговая металлиза­ция. При пропускании электрического тока большой плотности через газовую среду, находящуюся под повышенным давлением, газ ионизируется. Наряду с положительно и отрицательно заряженными ионами в ионизированном газе содержатся электроны и нейтральные атомы. Такое состояние вещества назы­вается плазмой. Плазма обладает высокой электрической проводимостью и образует вокруг себя магнитное поле, которое заставляет частицы плазмы сжи­маться и двигаться узким пучком. Плазменная струя служит интенсивным исто­чником тепла; температура ее достигает 15 000° С.

На рис. 5.27 показана схема плазменного металлизатора. Между вольфра­мовым электродом 3, горелкой 4 и медным водоохлаждаемым соплом 5 соз­дается дуговой разряд, который проходит в узком канале, также охлаждаемом водой. В канал горелки 4 подается инертный газ, который под действием элек­трической дуги ионизируется и выходит из сопла 5 в виде плазменной струи. В зону плазменной струи непрерывно подается напыляемый материал 1. Рас­плавленные плазмой частицы напыляемого металла увлекаются плазменной струей и с высокой скоростью напыляются на поверхность детали. Скорость потока плазмы достигает 9000 м/с.

В зависимости от схемы включения электрической цепи возможны различ­ные виды плазменной дуги: открытая, закрытая и комбинированная (рис. 5.28). При плазменной металлизации применяется закрытая плазменная дуга, кото­рая образуется, когда анодом является сопло.

Ремонтируемая деталь в цепь источника тока не включается. Прп ука­занной схеме включения электрической цепи температура на поверхности де­тали в процессе металлизации не превышает температуру плавления основного металла и, следовательно, поверхностный слой детали находится в твердом состоянии. В качестве источника постоянного тока обычно используют преоб­разователи ПС-500 или полупроводниковые выпрямители ИПГ-500, в качестве илавмообразующего газа применяют аргон, азот, гелий, водород или их смеси. Рокомондуемое расстояние от сопла до детали 80—120 мм. Напыляемые мате­риалы используются в виде проволоки или порошка.

Для плазменной металлизации промышленностью выпускаются установки УМП-1-61, УМП-2-62 и УМП-4-64. В установке УМП-1-61 напыляемый мате­риал применяется в виде проволоки, а в установке УМП-2-62 — в виде порошка. На установке УМП-4-64 можно применять для напыления как проволоку, так и порошковый материал.

Плазменную металлизацию обычно применяют для напыления тугоплавких металлов и их соединений, например, вольфрама, окиси алюминия, карбидов, боридов и цветных сплавов.

Применение плазмообразующих нейтральных газов предотвращает окисле­ние напыляемых металлов. Плазменное напыление является производительным, процессом. Достигается достаточно прочное сцепление напыленного слоя с ме--таллом детали.

Основной недостаток плазменной металлизации — высокая хрупкость напыленного слоя.

На рис. 5.29 приведена схема процесса металлизации детали.

Предварительная механическая обработка необходима в связи с тем, что восстанавливаемая поверхность может иметь неравномерный износ и в про­цессе металлизации покрытие будет копировать профиль поверхности, что при­ведет к неравномерной толщине напыленного слоя после окончательной меха­нической обработки.

Чтобы обеспечить достаточную прочность сцепления напыленного слоя с основным металлом, необходимо придать восстанавливаемой поверхности шероховатость. Наиболее распространенными способами создания шерохова­тости являются нарезание рваной резьбы, нарезание круглой резьбы с обкат­кой, накатывание поверхности накатниками, обдувка стальной или чугунной крошкой, нанесение частичек металла электросваркой и анодно-механическая обработка поверхности. Реже применяют насечку зубилом, нарезание круговых канавок, намотку проволоки и др.

Нарезание рваной резьбы, насечка зубилом и анодно-механическая обра­ботка, обеспечивая хорошее сцепление напыленного слоя с металлом детали, снижают усталостную прочность, и следовательно, не могут быть использо­ваны для подготовки деталей, работающих при циклических нагрузках. В по­следнем случае рекомендуется применять обдувку дробью и накатку.

Изоляцию участков, не подвергаемых металлизации, производят наклад­ками из картона, бумаги или жести, шпоночные пазы заделывают временными деревянными пробками. Разрыв во времени между подготовкой поверхности и металлизацией не должен превышать двух часов, в противном случае проис­ходит окисление поверхности, что снижает прочность сцепления.

Следует стремиться к напылению такого металла, коэффициент теплового расширения которого близок коэффициенту расширения металла детали.

В напыленном слое при охлаждении происходит усадка, в результате чего возникают значительные остаточные напряжения. Это приводит к увеличению сцепления покрытия с основным металлом при металлизации наружных ци­линдрических поверхностей. При металлизации внутренних поверхностей воз­никающие в слое остаточные напряжения приводят к образованию трещин и отслаиванию покрытия. Напряжения в напыленном слое возрастают с увели­чением его толщины. Последовательное нанесение металлизационного покры­тия тонкими слоями (0,05—0,1 мм) с охлаждением каждого слоя, применение в качестве материала для напыления сталей с повышенным содержанием угле­рода (0,7%) и предварительный подогрев поверхности детали до 270—370° С позволяют избежать трещин и повысить прочность сцепления. С целью повы­шения сцепления покрытия с металлом детали используют для дутья инертные га:ш вместо воздуха, проводят термическую обработку после металлизации и применяют подслой из легкоплавких металлов и сплавов.

Внутренние цилиндрические поверхности металлизируют с предваритель­ным подогревом до 100—150° С, что обеспечивает лучшее сцепление покрытия с металлизируемой поверхностью детали, вследствие уменьшения величины остаточных напряжений.

После металлизации производят механическую и термическую обработку детали для получения необходимых размеров, чистоты и качества восстанавли­ваемой поверхности.

Для более прочного сцепления покрытия с материалом детали рекомен­дуется, чтобы толщина напыленного слоя после окончательной обработки была не менее 0,6 мм при диаметре поверхности детали до 25 мм и 0,95—1,0 мм при большем диаметре.

Учитывая невысокие механические свойства напыленного слоя, механиче­скую обработку следует производить после полного остывания детали на пони­женных режимах и специально заточенным режущим инструментом.

К преимуществам металлизации относятся: высокая производительность и экономичность процесса, повышенная твердость покрытия по сравнению с исходной твердостью напыляемого металла (для стали на 30—40%), возмож­ность получения покрытия толщиной до 10—15 мм, проведение процесса без нагревания детали, что позволяет напылять металл на поверхность деталей из пластмассы, дерева, картона и других материалов, повышенная износо­стойкость покрытий при жидкостном трении, вследствие впитывания масла в пористый напыленный слой. Металлизация имеет существенные недостатки, а именно: невысокая прочность сцепления напыленного слоя с металлом де­тали, неоднородность покрытия вследствие значительного содержания окислов, малая износостойкость покрытия при недостатке смазки, так как покрытие" в этом случае выкрашивается, снижение усталостной прочности ремонти­руемой детали до 50% (в зависимости от способа подготовки поверхности).

Металлизацию применяют для восстановления изношенных плоских, цилиндрических наружных и внутренних поверхностей, получения антифрик­ционных и коррозионностойких покрытий и восстановления неподвижных посадок.

Металлизация используется также для получения в узлах трения обрат­ных пар, в которых подшипник целиком изготовлен из стали, а на сопрягаемую с ним шейку вала нанесено металлизационное покрытие из более мягкого анти­фрикционного металла. Исследованиями установлено, что обратная пара по сравнению с прямой имеет меньший прирост зазора в процессе работы за счет распределения износа по всей поверхности покрытия вала.