ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ“
КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”
Лопата Віталій Миколайович
УДК 621.762.79
ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ГАЗОПОЛУМЕНЕВОГО
НАПИЛЕННЯ ПОРОШКОВИХ МАТЕРІАЛІВ
З НИЗЬКОЮ ТЕПЛОПРОВІДНІСТЮ
Спеціальність 05.03.06.: “Зварювання і споріднені технології”
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ 2005
Дисертація є рукописом.
Робота виконана на кафедрі “Експлуатація і ремонт машин” Кіровоградського національного технічного університету.
Науковий керівник – кандидат технічних наук, доцент Кропівний Володимир Миколайович, проректор з науковоої роботи Кіровоградського технічного університету.
Офіційні опоненти:
Корж Віктор Миколайович – доктор технічних наук, професор кафедри “Відновлення деталей машин” Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”;
Астахов Євген Аркадійович – кандидат технічних наук, ведучий науковий співробітник ІЕЗ ім. Патона Є.О. НАН України.
Провідна організація – Приазовський державний технічний університет
Захист відбудеться “21” березня 2005 р. о 1400 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.26.002.15 при Національному технічному університеті України “КПІ” за адресою: 03056, м. Київ, проспект Перемоги, 37, кор. 19, ауд.435.
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного технічного університету України “КПІ” за адресою: 03056, м.Київ, просп. Перемоги, 37.
Автореферат розісланий “ 19 ” лютого 2005р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Д26.002.15
д.т.н., проф. Л.Ф.Головко
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Серед різних методів нанесення покриттів в останні десятиріччя широке розповсюдження отримали методи газотермічного напилення. До числа напрямів, що активно розвиваються, в галузі захисних покриттів відносяться методи газополуменевого напилення (ГПН). Вони базуються на принципі формування покриття з окремих часток, нагрітих і прискорених за допомогою високотемпературного газового струменя. Головним критерієм використання матеріалу як покриття є можливість переходу його часток в розплавлений або високопластичний стан і подальша деформація їх при зіткненні з основою. Мала термічна дія на напилювану основу дозволяє виключити небажані структурні перетворення в ній, уникнути деформації виробу, створити можливість нанесення покриття на основу найрізноманітніших матеріалів. Портативне транспортабельне і просте в експлуатації устаткування для газотермічного напилення дозволяє наносити покриття з будь-яких матеріалів на металоконструкції і деталей устаткування у широкому діапазоні габаритів і конфігурацій, вести антикорозійний захист нових виробів, а також на монтажних майданчиках та в районах експлуатації. Значний внесок в розвиток газополуменевого напилення внесли наукові праці таких вчених як В.В.Кудінов, Ю.С.Борисов, Ю.А.Харламов, Н.Н.Дорожкін, К.А.Ющенко, В.С.Івашко, П.А.Вітязь, А.Ф.Ільющенко, Е.Д.Манойло, І.Л.Купріянов, В.М.Іванов та інших дослідників.
Разом з тим, на сьогоднішній день відсутні науково-обгрунтовані рекомендації та приклади практичного використання газополуменевого напилення корозійностійких композиційних покриттів з порошкових матеріалів з низькою теплопровідністю. До цих матеріалів відносяться емалі та композиції на їх основі, у яких коефіцієнт теплопровідності у декілька разів нижчий порівняно з порошковими металевими сплавами. Покриття з цих матеріалів не впливаючи на якість контактуючих харчових продуктів дозволяють захистити вироби від зношування абразивними частинками, фреттинг-корозією, кавітацією, високотемпературною корозією, мають високі декоративні показники.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана згідно плану науково-дослідних робіт Кіровоградського національного технічного університету (КНТУ) по темі “Розробка і впровадження нових технологій у виробництво і ремонт сільськогосподарської техніки” на 1998-2005 рр., а також згідно договору між КНТУ і ЗАТ “Дослідний завод харчового обладнання” (м. Київ) по темі “Підвищення корозійної стійкості деталей переробної промисловості нанесенням газотермічних покриттів”.
Мета і задачі дослідження. Мета роботи полягає в створенні технологічних основ і технології газополуменевого напилення для отримання покриттів з порошкових матеріалів з низькою теплопровідністю на прикладі склоемалей.
Для досягнення вказаної мети у роботі вирішувалися наступні задачі:
-
теоретично довести можливість газополуменевого напилення матеріалів з низькою теплопровідністю;
-
розробити метод управління технологічними характеристиками факела при газополуменевому напиленні порошкових матеріалів з низькою теплопровідністю;
-
визначити раціональні режими ГПН ПДФ, що забезпечують формування якісних покриттів;
-
дослідити можливість підготовки основи під склоемальове покриття методом голкофрезерування;
-
дослідити физико-механічні властивості отриманих покриттів;
-
розробити технологічні рекомендації по захисту від корозії методом ГПН ПДФ емалевих покрить на деталі та елементи конструкцій харчової та переробної промисловості.
Об'єкт дослідження – газополуменеве напилення порошкових матеріалів з низькою теплопровідністю.
Предмет дослідження – спосіб газополуменевого напилення подовженим факелом порошкових матеріалів з низькою теплопровідністю.
Методи дослідження – при виконанні роботи використані фундаментальні фізичні уявлення, фізико-математичне моделювання, сучасний математичний апарат і обчислювальна техніка.
У якості спеціальних методів дослідження застосовувалося безконтактні методи виміру температури струменя і швидкості руху часток в процесі напилення, методи металографічних досліджень, дослідження топографії покрить, методи оцінки параметрів шорсткості, методи випробування матеріалів на корозійну стійкість, визначення міцності зчеплення покриття з основою.
Наукова новизна отриманих результатів. На основі аналізу процесу теплообміну в системі “факел-частки порошку” теоретично доведена можливість напилювання матеріалів з низькою теплопровідністю (на прикладі склоемалевих покрить) газополуменевим методом за рахунок збільшення довжини високотемпературної зони факела. На основі відомої газодинамічної моделі двохфазного потоку з урахуванням теплофізичних властивостей часток по довжині факела встановили необхідність збільшення високотемпературної зони факелу до 250-300мм, в який забезпечується розм'якшення і розтікання склоемалей, що підтверджено експериментальними дослідженнями. Експериментально встановлені закономірності зміни швидкості часток емалей та композицій на їх основі при переміщенні у подовженому факелі. Розроблено метод ГПН матеріалів з низькою теплопровідністю, що базується на формуванні подовженого полум'я за рахунок утворення вторинного факелу охоплюючого зовні первинний факел, використовуючи ефект горіння з відривом. Встановлено доцільність використання метода голкофрезерування для підготовки поверхні деталей під газополуменеве напилення. Установлено, що підвищення якості металоемальових покрить досягається шляхом екранування емалевого шару від основи та додаткового розігрівання емалевого шару перегрітими металевими частками.
Практичне значення отриманих результатів. Доведена доцільність застосування процесу газополуменевого напилення емалей та композицій на їх основі для підвищення корозійної стійкості деталей. Розроблено пристрій для реалізації способу газополуменевого напилення подовженим факелом. Визначені раціональні режими утворення якісних корозійностійких покриттів методом ГПН ПДФ та підготовкиоснови методом голкофрезерування. Технологія нанесення покриттів методом ГПН ПДФ полум'я опробувана на ЗАТ “Дослідний завод харчового обладнання” (м. Київ) при зміцненні деталей харчової, переробної промисловості, що дозволило підвищити термін їх служби в 2 рази.
Особистий внесок здобувача. Теоретичні і експериментальні дослідження, викладені в дисертаційній роботі, в повному об'ємі виконані безпосередньо здобувачем під науковим керівництвом к.т.н., доц. В.М.Кропівного. Науковому керівнику дисертаційної роботи належить загальна постановка досліджень, а здобувачу – теоретико-експериментальна частина, результати і висновки [1,4,7]; особистий внесок здобувача торкається результатів дослідження процесу ГПН подовженим факелом [2,3,5]; здобувачем зафіксований пріоритет на спосіб ГПН подовженим факелом [6].
Апробація результатів випробувань. Результати роботи доповідались, обговорені і схвалені на науково технічних конференціях Кіровоградського національного технічного університету; на засіданнях кафедри “Відновлення деталей машин” Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”; на міжнародній науково-технічній конференції “65 de ani ai Universitatu agrare de Stat din Moldova” (Молдова, м. Кишинів, 1998); 19 міжнародній конференції і виставці “Композиційні матеріали в промисловості (Славполіком-99)”, м. Київ, 1999р.; 7 міжнародній конференції і виставці “Технології ремонту машин, механізмів і устаткування (Ремонт-99), м. Алушта, 1999р.; міжнародній науково-технічної конференції “Обробка, зварювання і зміцнення конструкційних матеріалів. Якість і перспективи розвитку”, м. Луганськ, 2001р.; науково-технічній конференції “Сучасні матеріали, устаткування і технології зміцнення і відновлення деталей машин”, (Білорусь, м. Новополоцк), 2003р.
Публікації. По темі дисертації опубліковано 6 наукових робіт, з яких 6 – статті у фахових наукових виданнях. Отримано 1 патент України на винахід.
Структура і об'єм роботи. Дисертація містить вступ, 5 глав і висновки загальним об'ємом 163 авторских сторінок машинописного тексту 8 таблиць 50 рисунків, 152 наименувань використаних джерел і 1 додаток на 2 сторінках.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обгрунтована актуальність дисертаційної роботи, визначена мета, сформульовані задачі дослідження, показана наукова новизна і практичне застосування отриманих результатів, дані відомості про апробацію, публікації і структуру дисертації.
В першому розділі приведені результати аналітичного огляду літературних джерел по темі дисертаційного дослідження. Виконано аналіз сучасних способів захисту деталей обладнання харчової та переробної промисловості від зносу і корозії. Показана важливість проблеми захисту від корозії деталей обладнання харчової та переробної промисловості. Для боротьби з корозією з успіхом використовуються покриття нанесені ГПН. Аналіз літературних джерел показав, що серед матеріалів, що використовуються в практиці нанесення корозійностійких покриттів для деталей харчової та переробної промисловості, високі захисні властивості мають склоемалі і композиції на їх основі. Емалі та їх композиції мають низьку теплопровідність, що ускладнює розм’якшення часток у факелі і утворення якісних покрить. Устаткування для ГПН, що випускається на Україні і за кордоном, не забезпечує напилення таких матеріалів.
В розділі розглянуті закономірності та особливості газополуменевого напилення порошкових матеріалів, високопродуктивної підготовки основи та формування якісних покрить. Узагальнено склади антикорозійних емалевих покрить та визначено їх раціональний склад для нанесення методом ГПН. Визначено можливі шляхи утворення емалевих покрить методом ГПН за рахунок подовження факелу. Визначено перспективність підготовки основи під покриття методом голкофрезерування.
У результаті аналітичного огляду сформульовані основні напрями досліджень, які витікають з мети дисертаційної роботи. Результати огляду відображені в роботах [2,3].
В другому розділі викладена методика і загальна схема досліджень. Для нанесення покриття використовувалася установка газополуменевого напилення УПТР-90, яка включає пістолет для газополуменевого напилення з сопловим наконечником для подовження факелу та підвищення його енергетичної потужності, згідно запатентованого способу [6].
Для вимірювання температур використовувався метод інтерференційної візуалізації оптичних неоднородностей, що полягає в просвічуванні об'єкту випромінюванням зовнішнього джерела і реєстрації зміни параметрів цього випромінювання, що дозволяє одержувати інформацію без внесення збуджень в досліджуване середовище.
Вимірювання температури струменя проводили за допомогою автоколінімаційного інтерферометра И-200.
Для вимірювання швидкості часток використовували вимірювач швидкості об’єктів, які світяться, ІССО-1, дія якого заснована на порівнянні швидкостей руху досліджуваного і еталонного об'єктів.
Дослідження топографії поверхні напилених зразків проводили з використанням скануючого растрового електронного мікроскопа “Nanolab-7”, мікроструктури покриття вивчали з використанням металографічного мікроскопа “МеF”.
Пористість покриття визначали на автоматичному аналізаторі зображення “Мini-Majskan” за програмою “Genias-26”. Параметри шорсткості підготовленої основи оцінювали за допомогою профілографа-профілометра “Talusurf 4”. Визначення міцності зчеплення покриття з основним металом проводили штифтовим методом. Удароміцність розтріскування досліджувалася на маятниковому копрі МК-15.
Корозійну стійкість напилених покриттів оцінювали по електрохімічному потенціалу на межі покриття-агресивний розчин. Дослідження виконувалися на установці, розробленій в інституті “Зварювання і захисних покриттів” концерну “Порошкова металургія” (м. Мінськ).
Обробку експериментальних даних проводили відповідно до загальних принципів математичної статистики з використанням ЕОМ.
В третьому розділі розглянуті теплофізичні передумови можливості газополуменевого напилення матеріалів з низькою теплопровідністю і приведені результати теоретичних досліджень.
Для оцінки можливості отримання якісних покриттів з матеріалів з низькою теплопровідністю газополуменевим методом, була виконана аналітична оцінка теплового стану часток при переміщенні у факелі і у момент контакту з основою. При цьому вважали, що щільні покриття можливо отримати тільки укладанням часток, нагрітих до температури плавлення.
Проводили визначення необхідного часу знаходження частки у факелі за який вона нагріється до температури плавлення і розплавиться. Існуючі теоретичні розробки, присвячені розрахунку часу нагрівання часток порошків при газотермічному напиленні, не враховують теплопровідність напилюваного матеріалу і справедливі для матеріалів з коефіцієнтом теплопровідности не менше 10 Вт/м·К.
В основу теоретичного аналізу покладена методика розрахунку, що розглядає теплообмін між нагрітим газом і частками порошку у факелі. При цьому вважали, що температура газу залишається постійною (відсутній теплообмін між факелом і навколишнім середовищем).
Теплообмін між газом і частками порошку в області початкової ділянки факела де швидкості руху продуктів згорання і часток збільшуються, досягаючи своїх максимальних значень на дистанції 100…170 мм від зрізу сопла описано рівнянням збереження потоку енергії (1):
(1)
де F1 і F2 – витрата газу і порошку; i1 і i2 – ентальпії газу і порошку; х1 і х2 – швидкості руху газу і часток порошку (ідекс “0” відноситься до значень параметрів у зрізу сопла).
З урахуванням рівняння теплообміну між факелом і часткою отримали вираз для визначення температури часток:
(2)
де Т3 – усереднена температура факела по його вісі на відстані 50…150 мм від зрізу сопла; С1 і С2 – теплоємність газу і порошку; с1 і с2 – питома маса газу і порошку; ? – коефіцієнт тепловіддачі.
Для розрахунків були використані значення густини теплового потоку пальника, продуктивності напилення і коефіцієнта тепловіддачі, характерні для установок ГПН типу “УПТР-90”. Використовуючи відомі значення швидкості польоту часток матеріалів з різною питомою масою, була розрахована залежність Т2=f(ф) (?абл.1).
Виконана оцінка температур порошку в пропан-бутан-кисневому полум'ї свідчить, що частки емалевих порошкових матеріалів з коефіцієнтом теплопровідності 0,9…1,5 Вт/м·К розміром понад 50 мкм не можуть бути розплавлений у факелі відомих пальників.
Одним з можливих шляхів вирішення проблеми газополуменевого нанесення матеріалів з низькою теплопровідністю є використання додаткових джерел тепла для збільшення потужності теплового потоку, а також збільшення довжини факелу, що забезпечує розплавлення часток порошку.
Таблиця 1
Розрахункова температура нагріву часток розміром 50 мкм у факелі пропан-бутан-кисневого полум'я
Час перебування часток у факелі (10-3 с) | Температура нагріву часток, ОС
бронза | склоемаль
1,25 | 120 | 100
2,5 | 400 | 230
5,0 | плавлення | 590
7,5 | - | 900
Виходячи з виразу (2) для матеріалів з Тпл=900…1200ОС побудована залежність необхідної довжини факела від теплопровідності порошкового матеріалу з діаметром часток 50 мкм (рис.1). Отримані результати свідчать про те, що збільшення довжини факела до 300 мм дозволить нанести якісні покриття із склоемалей газополуменевим напиленням.
Відомі розробки по підвищенню динамічних і теплофізичних параметрів газопорошкового потоку при ГПН, пропонують здійснювати додаткове нагрівання і прискорення часток за рахунок концентрично охоплюючого первинний факел вторинного газового факела. Однак максимальна щільність теплового потоку вторинного факела в зоні його формування досягається на периферії фронтального перетину первинного факела, а не в центрі, де летять частки порошку, останні не прогріваються до температур, що дозволяють формувати якісні покриття.
Рис.1. Залежність довжини необхідної “активної” зони факела від теплопровідності напилюваного порошкового матеріалу: 1 – склоемаль; 2 – нікелевий сплав; 3 – латунь; 4 - мідь
Відповідно закономірностям горіння заздалегідь змішаних газів, при високій швидкості струменя, полум'я відривається від сопла і встановлюється на деякій відстані над соплом. Використовуючи ефект горіння з відривом запропоновано утворювати вторинний факел на деякій відстані від сопла пальника за рахунок високої швидкості подачі горючої суміші, що дозволить подовжити довжину факела з 150 мм до 300 мм.
Запалення вторинного факела повинно відбуватися в тій зоні, де відбувається суттєве зниження теплофізичних параметрів первинного факела, що не забезпечує зростання температури часток. Відстань, на якій повинно відбуватися запалення вторинного факела, визначається із співвідношення:
(3)
де - коефіцієнт теплопередачі, рівний відношенню щільності теплового потоку факела до перепаду температур, Вт/м2град; R – радіус частки, м; С – питома теплоємність матеріалу частки, Дж/кгград; - швидкість польоту часток, м/с; с – питома маса матеріалу частки, кг/м3.
Теоретична оцінка відстані LХ для часток матеріалів з низькою теплопровідністю розміром 50 мкм знаходиться в межах 140…170 мм.
На основі відомих залежностей для визначення діаметра прохідного перетину сопла та швидкості витоку горючої суміші отримана залежність для визначення величини критичної витрати горючої суміші для виникнення явищя відриву полумя:
(4)
де г – коефіцієнт швидкості розповсюдження полум'я горючої суміші; dc – діаметр перетину каналу сопла, мм; n – кількість каналів у сопловому наконечнику.
Використовуючи ефект горіння з відривом запропоновано утворювати вторинний факел на відстані 150 мм від сопла пальника за рахунок високої швидкості подачі робочої суміші. Сутність способу закріплено патентом України на винахід [6] (рис.2).
Рис.2. Схема реалізації ГПН з подовженим факелом: 1 – сопловий наконечник; 2 – суміш окислювача і горючого газу, що транспортує порошок; 3 – первинний кільцевий факел; 4 – суміш окислювача і горючого газу; 5 – вторинний кільцевий факел.
На підставі виконання аналізу газодинамічної моделі двофазного потоку в терморозпилюючих установках, оцінено температуру газу і часток, а також аналіз процесу теплообміну в системі “подовжений факел-частки порошку з низькою теплопровідністю”, теоретично була доведена можливість напилення емалей газополуменевим методом за рахунок збільшення довжини факела. Дана аналітична оцінка теплового стану емалевих часток у факелі і у момент контакту з основою.
В четвертому розділі приведені результати експериментальних досліджень газополуменевого напилення подовженим факелом (ГПН ПДФ) емалевих корозійностійких покриттів.
Для дослідження залежності критичної витрати пропан-бутан-кисневої суміші від прохідного перетину каналів соплового наконечника і впливу її витрати на величину висоти відриву були проведені експерименти з використанням пальника для газопорошкового напилення. Пальник для газопорошкового напилення працював в безінжекторному режимі, висота відриву пропан-бутанового полум'я реєструвалася при використанні різних сопел з каналами діаметром від 0,75 до 4 мм. Тиск та витрати кисню і горючого газу встановлювалися за допомогою пульта управління установки УПТР-90. Визначено (рис.3), що збільшення діаметру вихідного каналу сопла більше 3,5 мм не має істотного впливу на величину критичної витрати горючої суміші (до появи ефекту відриву факела).
Дослідженням залежністі висоти відриву факела від витрати робочої суміші встановлено, що для досягнення дистанції відриву факела Lx= 150…160 мм потрібно забезпечити витрату суміші до 7 м3/год, що легко реалізується за допомогою пульта управління подачею робочих газів (рис.4).
Рис.3. Зміна максимальних Рис.4. Залежність висоти
витрат горючої суміші відриву факела від величини
(до появи відриву факела) витрати горючої суміші (d=2,5мм).
залежно від діаметра
вихідного каналу сопла.
Основний вплив на щільність покриттів і міцність зчеплення з основою надає ступінь динамічної активації часток, їх температура і розмір. Для отримання можливості управління цими параметрами був встановлений розподіл температур по довжині факела (рис.5) і досліджена динаміка польоту часток.
Рис. 5. Поле температур полумя пальника з подовженим факелом (d=3 мм).
Рух часток порошку склоемалі у звичайному факелі набуває максимальної швидкості 35-37 м/с на відстані 150-170 мм від зрізу сопла пальника, в той час як частки у подовженому факелі мають ту ж швидкість на відстані 250-300 мм від зрізу сопла (рис.6).
Рис.6. Швидкість руху часток склоемалі у факелі по його довжині: 1- звичайний факел; 2- подовжений факел (d=3 мм).
Дослідження властивостей нагрітих газових потоків при ГПН проводили при постійному складі сумішей і в умовах формування первинного і вторинного факела з використанням калориметричного зонда. Аналіз результатів показує, що при використані розробленого метода активну зону факела вдалося збільшити більш ніж на 100 мм, досягаючи необхідної дистанції напилення склоемалей до 300 мм.
Для нанесення покрить методом ГПН ПДФ дослідним шляхом визначено раціональний склад склоемальових покрить на основі фріт грунтових емалей. Легкоплавкі і хімічно стійкі покриття з пониженою в’язкістю повинні мати склад: не менше 6% CaF2, не менше 5% Na2O і B2O3. Дослідження мікротопографії склоемальових покриттів дозволило встановити величину дистанції напилення і показало, що на дистанції 300 мм частки повністю розм'якшуються.
Мікроструктура утворених методом ГПН ПДФ характеризується наявністю значної пористості, що пов’язано з хімічною взаємодією в процесі формування покриття і основи.
З метою зменшення кількості газових пор у покритті запропоновано ввести до складу напилюємого порошку ніхрому ПХ20Н80 у кількості 0...10% по масі. Введення 2,5% ніхрому привело до істотного підвищення якості емалевого покриття. Ніхром, маючи в процесі ГПН ПДФ високу кінетичну енергією, сконцентрувався у вигляді шару на поверхні розділу “емаль – метал основи”. Добавка ніхрому в кількості 7,5% забезпечила формування суцільного розділяючого шару на поверхні металевої основи і привела до подальшого збільшення щільності емалевого покриття. При добавці 10,0% ніхрому формується суцільний Ni-Cr-шар, що надійно розділяє сталеву основу й емалеве покриття. При цьому цілком усувається газова пористість емалі поблизу поверхні розділу за рахунок дії ніхромового прошарку, що екранує основу і додатково прогріває емаль (рис.7б). Мікротвердість ніхромового прошарку складає 86 МПа, ферритної основи - 54 МПа, емалевого покриття-657 МПа. Крім того, частки ніхрому виконували роль додаткового джерела тепла для емалевого покриття у процесі формування.
а б
Рис.7. Мікроструктура емалевих покрить, отриманих методом ГПН ПДФ: а) склоемаль; б) суміш порошків емалі і 10,0% ніхрому ПХ20Н80; х100
Дослідження властивостей склоемальових покриттів, отриманих газополуменевим напиленням з подовженим факелом, показало, що відбувається їх зміцнення за рахунок збагачення матриці скла угрупуваннями Si-O-Si каркасного типу. Утворений емалевий шар мав низькі значенння ударної міцності, тому проведено експериментальні дослідження і запропоновано додатково ввести до складу напилюваної шихти тугоплавких часток порошку ферохрому ФХ-800 розміром 50 мкм. Був оцінений вплив кількості армуруючого наповнювача на механічні властивості покриттів шляхом випробувань їх на удароміцність. Встановлено, що вміст часток карбідів хрому в склоемалях приводить до збільшення удароміцности розтріскування в 2,7 – 3 рази. Найбільший ефект зміцнення досягається від введення армуючого наповнювача при малих товщинах покриття. Зростання значень удароміцности розтріскування стає менш помітним при збільшенні вмісту наповнювача понад 40 % по масі.
Були проведені експериментальні дослідження режиму голкофрезерування секційною голкофрезою на шорсткість поверхні при підготовці поверхні під газополуменеве напилення, забезпечуючі оптимальні параметри ГПН ПДФ [1]. Дослідження показали, що голкофрезерування зі швидкістю різання ?=60 м/хв; подачею S=1 м/хв; натягом і=1 мм забезпечує шорсткість обробленої поверхні Ra=6…7 мкм (при дробоструменевій обробці – Ra=6…8 мкм); міцність зчеплення склоемалевого покриття з основою ?с=18…24 Мпа (при дробоструменевій обробці - ?с=19…24 Мпа). Дослідження довели доцільність використання голкофрезерування для підготовки поверхні під ГПН ПДФ.
Корозійну стійкість напилених емалевих покрить оцінювали по електрохімічному потенціалу на межі покриття-агресивний розчин. Дослідження проводили на зразках зі сталі 08кп із покриттям з композиції: 10% феррохрому ФХ-800; 10%; ніхрому ПХ20Н80; решта - емаль. Товщина покриття складала 1,5 мм.
Наявність металлоемалевого покриття забезпечує зниження електрохімічного потенціалу на границі покриття-агресивний розчин у 5-8 разів у порівнянні зі зразком зі сталі 08 кп без покриття.
Для отримання якісних композиційних металоемальових покриттів були визначені основні технологічні параметри процесу напилення подовженим факелом: величина витрати робочої суміші, що формує вторинний факел ( 7 м3/ч); дистанція напилення для склоемалей – 300мм; оптимальна продуктивність напилення (2,5 кг/ч).
Результати досліджень, які описані в четвертому розділі, приведені у всіх публікаціях по темі дисертації.
В п'ятому розділі розроблені рекомендації по практичному використанню результатів досліджень.
Дослідженням встановлено, що технологія ГПН є ефективним методом відновлення і зміцнення деталей при відносно невисоких витратах ресурсів порівняно з виготовленням нових деталей. Проведені дослідження газополуменевого напилення з подовженим факелом дозволили підібрати номенклатуру деталей обладнання харчової і переробної промисловості, що працюють в умовах корозійного руйнування, які доцільно зміцнювати і відновлювати газополуменевим напиленням. Технологічний процес ГПН з подовженим факелом складається з наступних операцій: підготовки поверхні деталі перед напиленням (вхідний контроль, попередня механічна обробка, очищення, обезжирення, голкофрезерування); підготовки газів; підготовки порошків; нанесення покриття; контроль якості покриття; механічної обробки; контроль якості деталі. Промислові випробування зразків на “Дослідному заводі харчового обладнання” (м. Київ) показали, що після газополуменевого напилення на робочі поверхні металоемальових композицій їх корозійна стійкість збільшилася у 2 рази та знизилася вартість деталей на 15% за рахунок заміни їх матеріалу з бронзи на низьковуглецеву сталь.
Висновки
1.
В результаті проведених досліджень доведена можливість газополуменевого напилення порошкових матеріалів з низькою теплопровідністю за рахунок збільшення довжини факела полумя.
2.
Встановлено, що використання промислових установок ГПН не дозволяє утворювати якісні покриття із склоемалей через недостатню довжину високотемпературної зони полум'я, в якій відбувається їх розм'якшення.
3.
Встановлена теоретично і підтверджена експериментально можливість подовження високотемпературної зони факелу на відстань до 250 – 300мм, достатньої для розм'якшення склоемалей і отримання якісних покриттів за рахунок ПДФ.
4.
Розроблений новий метод управління технологічними характеристиками факела полум'я з використанням ефекту горіння з відривом і утворення вторинного факела (патент України №37467А від 15.05.2001г.), який дозволяє одержувати корозійностійкі склоемальові покриття газополуменевим напиленням.
5.
Визначені умови формування подовженого факела для нанесення покриттів із матеріалів з низькою теплопровідністю методом ГПН при використанні пальника з вихідним отвором сопла 3 мм, які характеризуються такими параметрами: горюча суміш пропан-бутан-кисень (?=4); величина витрати робочої суміші, що формує вторинний факел 7м/ч; дистанція напилення для склоемалей - 300 мм; оптимальна продуктивність напилення 2,5 кг/ч.
6.
Запропонована технологія голкофрезерування для підготовки поверхні перед ГПН ПДФ, яка сприяє підвищенню міцності зчеплення покриття з основою за рахунок оптимальної будови поверхні основи.
7.
Розроблено раціональний склад і досліджені властивості корозійностійких склоемальових покриттів, з підвищеною ударною міцністю за рахунок додаткового введення до складу металевих порошків ніхрома ПХ20Н80 та ферохрома ФХ-800 в кількостях відповідно 10% та 20% від маси.
8.
Розроблені рекомендації по практичному використовуванню результатів досліджень.
Список опублікованих робіт по темі дисертації
1. Кропивный В.Н., Лопата В.Н., Златопольский Ф.Й. Применение иглофрезерования в процессах газопламенного напыления металлоэмалевых покрытий // Вестник НТУУ “КПИ”, Машиностроение. 1999.-№37.С.105-112.
Здобувачем досліджені можливості використання голкофрезерування як одного з найбільш перспективних методів підготовки поверхні під напилення металоемальових покрить.
2. Черновол М.И., Кропивный В.Н., Лопата В.Н. Разработка газопламенного напыления удлиненным факелом // Збірник наукових праць КДТУ, Кіровоград. 2000.-№6.С93-96.
Здобувачем доведено доцільність використання в якості горючого газу пропан-бутаново-кисневої суміші для формування вторинного факелу.
3. Кропивный В.Н., Лопата В.Н., Лопата Л.А. Особенности технологии газопламенного напыления порошковых материалов //Системні методи керування, технологія та організація виробництва і експлуатації автомобілів, Київ: УТУ, ТАУ.-2000.-Вип.10.-С.58-61.
Здобувачем проаналізовано нанесення покрить з порошкових матеріалів газополуменевим методом та доказана неможливість використання існуючого обладнання для газополуменевого напилення для нанесення покрить з матеріалів з низькою теплопровідністю.
4. Кропівний В.Н., Лопата В.Н., Дудан О.В., Зубко О.Н. Вибірскладу антикорозійних захисних покриттів, які наносяться газополуменевим напилюванням та ін. // Збірник наукових праць КДТУ, Кіровоград.2001.-№10.С.21-25.
Безпосередньо здобувачем сформульовано вимоги до складу емалей для газополуменевого напилення, визначено їх оптимальний склад.
5. Кропивный В.Н., Лопата В.Н., Лопата Л.А., Златопольский Ф.Й. Повышение долговечности деталей сельскохозяйственной техники нанесением антикоррозионных металлоэмалевых покрытий // Вісник Східноукраїнського національного університету ім. Володимира Даля, Луганськ. 2002.-№7(53).-С-256-261.
Здобувачем приведена класифікація деталей сільськогосподарської техніки, для підвищення довговічності яких можливо використовувати антикорозійні металоемальові покриття нанесені газополуменевим методом.
6. Спосіб газополуменевого напилення порошковими матеріалами, переважно з низькою теплопровідністю /В.М.Кроп,ивній, В.М.Лопата, М.А.Білоцерковський // Деклараційний патент на винахід.-№37467А від 15.05.2001.
7. Лопата В.Н., Кропивний В.Н., Надворный Б.Е. Исследование свойств стеклоэмалевых покрытий нанесеных газопламенным напылением. /Високі технології в машинобудуванні// Збірник наукових праць НТУ “ХПІ”, Харків, №2, 2004.-С.171-177.
Здобувачем вперше розроблено раціональний склад корозійностійких склоемальових покрить, з підвищеною ударною міцністю за рахунок додаткового введення в склад металевих порошків ніхрому ПХ20Н80 і ферохрому ФХ-800 та досліджені їх властивості.
АНОТАЦІЯ
Лопата В.М. Підвищення ефективності газополуменевого напилення порошкових матеріалів з низькою теплопровідністю.- Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.06 – Зварювання та споріднені технології. –Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, м. Київ, 2005.
Робота присвячена розробці технологічних основ технології газополуменевого напилення матеріалів з низькою теплопровідністю на прикладі склоемалей та композицій на їх основі. У роботі теоретично доведено і експериментально підтверджено можливість нанесення покрить із матеріалів з низькою теплопровідністю газополуменевим напиленням з подовженим факелом. Доведена доцільність використання голкофрезерування для підготовки поверхні під напилення. Розроблено раціональний склад і досліджені властивості корозійностійких склоемальових покриттів, з підвищеною ударною міцністю за рахунок додаткового введення до складу металевих порошків ніхрома ПХ20Н80 та ферохрома ФХ-800.
Ключові слова: газополуменеве напилення, низька теплопровідність, склоемалі, подовжений факел, корозійна стійкість.
АНОТАЦИЯ
Лопата В.Н. Повышение эфективности газопламенного напыления порошковых материалов с низкой теплопроводностью.- Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.06 – Сварка и родственные технологии. – Национальный технический университет Украины “Киевский политехнический институт”, г.Киев, 2005.
Работа посвящена разработке технологических основ технологии газопламенного напыления порошковых материалов с низкой теплопроводностью на примере стеклоэмалей и композиций на их основе.
Одним из эффективных способов защиты от коррозии деталей оборудования пищевой и переработочной промышленности является нанесения стеклоэмалевых покрытий и композиций на их основе. На сегодняшний день для нанесения защитных антикоррозионных склоэмалевых покрытий на металлические детали и конструкции нашли применение различные методы, из которых наиболее эффективным, экономически целесообразным и удобным для реализации в условиях производства является газопламенное напыление. В работе теоретически определенны значения температур частиц стеклоэмали и газовой фазы вдоль оси факела. Установлено, что частицы стеклоэмали не могут быть размягчены в пламени известных установок для газопламенного напыления из-за малой длины высокотемпературной зоны факела.
В даной работе был проведен теоретический анализ процесса теплообмена в системе “факел-частицы порошка с низкой теплопроводностью” (на примере порошков стеклоэмалей) который показал, что для их размягчения необходимо увеличить длительность пребывания порошка в факеле до (5,5·7,0)·10-3с.
Проведенная аналитическая оценка теплового состояния эмалевых частиц в факеле горелки и в момент контакта с основой показала возможность напыления порошков из материалов с низкой теплопроводностью газопламенным методом за счет увеличения длины факела пламени до 200-300 мм
Для увеличения длины факела предложено образовывать вторичный факел на определенном расстоянии от сопла горелки и теоретически определенна дистанция формирования вторичного факела (100-150 мм) которая обеспечивает размягчение порошков стеклоэмали при ГПН.
Разработан способ газопламенного напыления удлиненным факелом, основанный на формировании вторичного факела за счет использования эффекта горения с отрывом.
Теоретически установлено, что критический расход горючей смеси для формирования вторичного факела при ГПН стеклоэмалевых покрытий должен быть не менее 2,3-3,0 кг/час.
Определено, что для качественного напыления стеклоэмалевых покрытий поверхностная плотность теплового потока должна быть в пределах Ф=(55...65)·10-5 Вт/м2, поле температур пламени термораспылителя с удлиненным факелом – 1700 - 2700К.
Разработана эффективная технология подготовки поверхности под ГПН с УДФ стеклоэмалевых покрытий методом иглофрезерования, что позволяет получить шероховатость поверхности основы в пределах Ra=6 – 7 мкм, и обеспечить необходимую прочность сцепления покрытия с основой.
С целью получения качественных композиционных покрытий на основе стеклоэмалей были экспериментально подтверждены рациональные технологические параметры процесса напыления удлиненным факелом:
- горючая смесь: пропан-бутан-кислород (в=4);
- расход рабочей смеси, которая формирует вторичный факел- 7м3/ч;
- дистанция напыления для стеклоэмалей - 300 мм;
- оптимальная производительность напыления - 2,5 кг/ч.
Определен рациональный состав эмалевых покрытий, которые обеспечивают высокую технологичность напыления и коррозийную стойкость в технологических средах пищевой промышленности.
Доказана положительная роль введения в состав стеклоэмалевых покрытий, напыляемых методом ГПН, металлических порошков, которые обеспечивают формирование качественных покрытий с пониженым содержанием газовых пор и повышенной ударной прочностью.
Установлено снижение электрохимического потенциала на поверхности раздела “металлоэмалевое покрытие-основа” в 3-5 раз при нанесении на стальные поверхности методом ГПН УДФ.
Ключевые слова: газопламенное напыление, низкая теплопроводность, стеклоэмали, удлиненный факел, коррозионная стойкость.
SUMMARY
Lopata V.M. Effectiveness increase of the flame spraying of powder materials with low heat conductivity.- Typescript.
Ph.D. thesis for engineering sciences on speciality 05.03.06- Welding and allied technologies.- National technical university of Ukraine "Kiev polytechnic institute", Kiev, 2005.
The work is devoted to development of the technology of flame-spraying applied on materials with low heat conductivity on the examples of glass-enamels and compositions on their basis. In the work there has been theoretically proved and experimentally confirmed the possibility of flame sparaying of low heat conductivity materials by extended flame. There has been proved expediency of abrassion in preparation of surfaces for sparaying. There has been developed efficient composition and researched features of corrosion-resisting glass-enameled coatings with increased impact-resistance owing to additional adding Nichrome PX20H80 and ferrochromium to metal powders .
Key words: flame spraying, low heat conductivity, glass-enamels, extended flame, corrosion-resistance.
