Способ электродуговой металлизации

 

Изобретение относится к области нанесения защитных металлических покрытий, в частности к способам электродуговой металлизации и может найти применение в различных отраслях машиностроения. В процессе металлизации распыление жидкого металла осуществляют транспортирующим газом, один из которых подают в зону горения дуги, а другой газ в виде смеси с восстановительными свойствами - в область, прилегающую к зоне горения дуги. В зону горения дуги подают газ - смесь углеводородов. Применение данного способа позволяет повысить качество металлических покрытий за счет эффективной защиты напыляемых частиц от окисления.

Изобретение относится к области нанесения защитных металлических покрытий, в частности, к способам электродуговой металлизации.

Известен способ электродуговой металлизации, в котором в качестве транспортирующего газа используются продукты сгорания углеводородных топлив, обладающие восстановительными свойствами [1]. Недостатком данного способа является недостаточная эффективность использования восстановительного газа для защиты расплавленных частиц металла от окисления.

Зона плавления проволок занимает лишь часть сечения струи, истекающей из сопла. Соответственно в нее попадает лишь часть транспортирующего газа, а на последующем участке начинается интенсивное подмешивание в струю окружающего воздуха. Так, для характерного сопла диаметром 5.2 мм непосредственно в зону плавления проволок диаметром 2 мм попадает 10 - 15% объема транспортирующего газа. При этом согласно расчету доля начального состава газа на дистанции 9 мм, ось струи составляет 60% от объема; при удалении от оси на 0.6 радиуса струи она резко уменьшается до 0.1%. Таким образом, восстановительные свойства струи снижаются уже на участке образования частиц - наиболее неблагоприятном с точки зрения их окисления.

Кроме того, восстановительная способность данной атмосферы понижена. Продукты сгорания представляют собой компоненты, полученные в результате реакции взаимодействия углеводородов C_mH_n с кислородом: C_mH_n + 0.5•(2•m+0.5•n)•O₂, =m•Co₂+0.5•n•H₂O К ним добавлены непрореагировавшие вследствие недостатка кислорода углеводороды. То есть в зону горения дуги подается смесь (m•CO, + 0.5•n•H₂O+C_mH_n) В ней составляющая (m•CO₂+0.5•n•H₂O) обладает окислительными свойствами.

Наиболее близким по технической сущности является способ электродуговой металлизации, принятый за прототип, в котором в зоне горения дуги, между электродами, создается защитная газовая атмосфера для снижения окисления распыляемого металла за счет подачи осевой струи газа [2]. Недостатком данного способа является недостаточная эффективность защиты расплавленных частиц от окисления.

В техническом решении-прототипе предложено подавать в зону горения дуги различные газовые смеси, призванные уменьшить содержание кислорода в этой области. Однако все предлагаемые варианты не препятствуют доступу кислорода в зону горения дуги. Так, при варианте "аргон-азот" в смеси отсутствуют восстановительные компоненты. Поэтому газ в центральной струе неизбежно будет иметь окислительный состав из-за подмешивания кислорода окружающего воздуха в турбулентный поток. При варианте смесь "углеводороды - воздух" смесь уже содержит кислород.

Техническим результатом, на который направлено предлагаемое техническое решение, является повышение качества покрытия. Заявляемый технический результат достигается за счет снижения окисления распыляемых частиц.

Для достижения указанного технического результата в предлагаемом способе электродуговой металлизации, включающем подачу, расплавление электродов и подачу транспортирующего газа в виде смеси с восстановительными свойствами для распыления полученного расплавленного металла, в зону горения дуги подается только газ - смесь углеводородов, а в область, прилегающую к зоне горения дуги, подаются остальные составляющие газовой смеси.

При электродуговой металлизации жидкие частицы металла и струя транспортирующего газа образуют двухфазный поток. Его особенности в зоне горения дуги на небольшом удалении от точки пересечения электродов явились исходными предпосылками предлагаемого технического решения.

Струя транспортирующего газа является турбулентной, в ней происходит интенсивное перемешивание компонентов по сечению. Кроме того, на границе струи идет подмешивание в струю газа окружающей атмосферы, обычно воздуха.

Расплавление электродов происходит в зоне горения электрической дуги, образованной между торцами электродов и вытянутой под давлением струи вперед на 2-3 мм [3]. С торцов электродов за счет электродинамического воздействия дуги и напора струи транспортирующего газа срываются капли металла. Они первоначально неправильной формы и вытянуты по направлению движения струи. Под действием поверхностного натяжения после прохождении определенного расстояния, порядка 5 мм от торцов электродов, согласно [4] они приобретают правильную, сферическую форму. Поведение частиц на этом участке иное, чем на остальной дистанции напыления по нескольким причинам: 1. Площадь поверхности на единицу веса у частицы неправильной формы больше, чем у сферической.

2. При сжимании капли в шар идет постоянный процесс разрыва оксидной пленки. Взаимодействие вновь образуемой чистой поверхности металла с кислородом усиливает процесс окисления.

3. Скорость частицы после срыва с торца электрода нарастает, хотя и быстро, но не скачкообразно. По расчетам, на участке длиной в 5 мм от торца электродов скорость частиц примерно в 3 раза ниже, чем на остальной дистанции напыления (характерная дистанция - порядка 100 мм). Это означает, что время пребывания частиц на единицу пути в этой зоне в 3 раза больше, чем на остальной части дистанции. Соответственно увеличивается время и полнота протекания химических реакций.

4. Частицы в зоне горения дуги перегреты на 200 - 300 градусов выше температуры плавления, что интенсифицирует протекающие химические реакции.

Подача в зону горения дуги только газов - смеси углеводородов качественно меняет картину окисления капель расплавленного металла на торце электрода, в зоне горения дуги.

В этой области, где температура газа составляет 10000-15000 К, последний ионизируется. При контакте с металлом образующихся капель, первоначально нагретых до температуры кипения, порядка 3000 К, газ обратно переходит в молекулярное состояние, однако эти молекулы обладают повышенной энергией активации. По этой причине примерно на порядок повышается растворимость газов в жидком металле [5].

В предлагаемом техническом решении учтены эти особенности двухфазного потока при электродуговой металлизации.

Непосредственно в зону горения дуги подаются отдельно от остального транспортирующего газа только углеводороды. Это сохраняет концентрацию восстановителей, а значит снижает окислительную способность газа на участке, где частицы расплавленного металла наиболее склонны к окислению из-за развитой поверхности, постоянного разрыва оксидной пленки, длительного пребывания и перегрева.

Отметим, что под термином "остальные составляющие газовой смеси" могут подразумеваться, в частности, смеси углеводороды - воздух, углеводороды - кислород. Все это газы иного химического состава, чем смесь одних углеводородов.

Пример конкретного выполнения.

Были проведены сравнительные испытания покрытий, напыленных по способам аналогу, прототипу и по предложенному. Режимы нанесения покрытий: ток - 200 A, напряжение - 30 B, дистанция напыления - 100 мм, коэффициент избытка окислителя транспортирующей струи - 0.8.

В предложенном способе в зону горения дуги вдували только пропан технический, ГОСТ 20448. По этому ГОСТу, в частности, пропан технический представляет собой смесь углеводородов и имеет следующий компонентный состав: этан-этилен - не более 4%, пропан-пропилен - не менее 93%, бутан-бутилен - не более 3%. Расход пропана технического составлял 0.2 кг/ч при его общем неизменном расходе во всех способах.

Качество покрытий оценивали по содержанию кислорода в покрытии, измеренном методом восстановительного плавления в потоке инертного газа и в вакууме на приборах RO-116 и EAN-220.

Содержание кислорода в покрытии уменьшилось с 2.9% в способе-аналоге, 2.85% - в способе-прототипе до 2.1% в предлагаемом техническом решении.

Данные опытов показывают, что принудительная подача кислородсодержащей смеси, хотя бы и с коэффициентом избытка восстановителя большим единицы, в зону горения дуги значительно повышает конечную степень окисления покрытия в сравнении с предлагаемым способом при прочих равных условиях, таких как расход газа из центрального сопла, суммарный расход газов-восстановителей в смеси.

Применение предлагаемого способа позволяет повысить качество металлизационных покрытий за счет эффективной защиты напыляемых частиц от окисления.

Источники информации 1. Бурякин А.В. и Кузьмин А.В. Электродуговая металлизация с распылением металла продуктами сгорания углеводородных топлив. Сварочное производство, N 3, 1993, с. 7-9.

2. Патент DE 3533966 C1, подан 24.09.85.

3. Вахалин В.А., Масленников С.Б., Кудинов В.В. и др. Процесс плавления и распыления материала электродов при электродуговой металлизации. ФХОМ, 1981, N 3, с. 58-63.

4. Кречмар Э. Напыление металлов, керамики и пластмасс. - М.: Машиностроение, 1966, 432 с.

5. Лакомский В.И. Плазменно-дуговой переплав. Киев: Техника, 1974, 336 с.

Формула изобретения

Способ электродуговой металлизации, включающий подачу и расплавление электродов и распыление полученного расплавленного металла транспортирующими газами, один из которых подают в зону горения дуги, а другой газ в виде смеси с восстановительными свойствами - в область, прилегающую к зоне горения дуги, отличающийся тем, что в зону горения дуги подают газ - смесь углеводородов.