Что такое напыление деталей двигателя

Холодное газодинамическое напыление

Холодное газодинамическое напыление (ХГН) (англ. Cold Spray ) металлических покрытий — это процесс формирования металлических покрытий при соударении холодных (с температурой, существенно меньшей температуры плавления) металлических частиц, ускоренных сверхзвуковым газовым потоком до скорости несколько сот метров в секунду, с поверхностью обрабатываемой детали. При ударах нерасплавленных металлических частиц о подложку происходит их пластическая деформация и кинетическая энергия частиц преобразуется в тепло, обеспечивая формирование сплошного слоя из плотно упакованных металлических частиц.

Основной особенностью ХГН является отсутствие высоких температур в процессе формирования металлических покрытий, следовательно, отсутствие окисления материалов частиц и основы, процессов неравновесной кристаллизации, высоких внутренних напряжений в обрабатываемых деталях.

К настоящему времени существуют две основных разновидности ХГН:

«Холодное газодинамическое напыление высокого давления» (англ. High Pressure Cold Spray ). В качестве рабочего газа используются азот или гелий при давлениях выше 1,5 МПа (15 атм), расходе более 2 м³/мин., и мощностью подогрева более 18 кВт. Для напыления обычно используются чистые металлические порошки размером 5-50 мкм.

«Холодное газодинамическое напыление низкого давления» (англ. — Low Pressure Cold Spray). В качестве рабочего газа используется сжатый воздух давлением 0,5-1,0 МПа (5-10 атм), расходом 0,5 м³/мин, и мощностью подогрева 3-5 кВт. Для напыления покрытий используются механические смеси металлических и керамических порошков. Включение керамического компонента в напыляемую смесь обеспечивает получение качественных покрытий при сравнительно небольших энергозатратах.

Чтобы облегчить выбор покрытия для поршней, мы составили рейтинг наиболее известных материалов.

MODENGY Для деталей ДВС

MODENGY Для деталей ДВС

Это единственное покрытие для деталей ДВС в аэрозольном баллоне, которое отверждается при комнатной температуре (методом воздушной сушки). Содержит дисульфид молибдена высокой степени очистки и графит. Диапазон рабочих температур от -70 до +260 °C.

Антифрикционное твердосмазочное покрытие (АТСП) MODENGY Для деталей ДВС предназначено для нанесения на юбки поршней бензиновых и дизельных двигателей, коренных подшипников коленвала, втулок, распредвалов в ДВС. Подходит также для восстановления зазора в дроссельной заслонке, шлицевых, резьбовых соединений и других пар трения металл-металл в двигателе.

Состав обладает высокой несущей способностью, отличными противозадирными свойствами, длительным сроком службы. Он не разрушается под воздействием моторного масла, эффективно снижает потери на трение и предотвращает скачкообразное движение.

Высочайшие эксплуатационные характеристики покрытия MODENGY Для деталей ДВС уже оценили крупнейшие автозаводы, на которых оно используется при массовом производстве поршней. Пример – в следующем видеоролике.

Покрытие MODENGY имеет очень удобную аэрозольную фасовку в баллоны с точно настроенными параметрами распыления. Работа с ними не требует особых навыков и дополнительного оборудования, что позволяет использовать АТСП в бытовых условиях.

Один баллон вмещает 210 мл средства. Этого количества хватает на 1 м 2 площади поверхности. На юбке поршня покрытие выглядит эстетично, слой имеет одинаковую толщину, потеки отсутствуют (см. фото ниже).

Несомненным преимуществом АТСП MODENGY Для деталей ДВС является простая технология его нанесения и сушки: покрытие легко распыляется из баллона и способно отверждаться на воздухе при комнатной температуре.

Подобные составы других производителей не имеют аэрозольных фасовок и высыхают только при нагреве в печах, поэтому для работы с ними требуются сложное оборудование и специальные навыки.

Фасовки

• Металлический баллон 210 мл

Molykote D-10-GBL

Molykote D-10-GBL

Антифрикционное покрытие с графитом и полиамид-имидным связующим, отверждаемое при нагреве. Диапазон рабочих температур от -40 до +340 °C.

Molykote D-10-GBL используется для поршней двигателей и зубчатых зацеплений автомобильной техники, в тяжелонагруженных узлах трения скольжения промышленного оборудования: в поршнях компрессоров, пневматических и гидравлических приводов, насосов, в подшипниках скольжения нефтедобывающего оборудования.

Данное АФП может также применяться в качестве антикоррозионного токопроводящего покрытия в бытовой технике, в качестве антиаварийной смазки узлов, покрытых маслом или иным смазочным материалом.

Molykote D-10-GBL препятствует заеданию, схватыванию и скачкообразному движению поверхностей трения, предупреждает их абразивный износ вследствие проникновения пыли. Покрытие не смывается водой, не разрушается под воздействием химически агрессивных сред, исключает частое повторное нанесение.

Ниже — реальное фото поршня с нанесенным на него покрытием Molykote.

Molykote D-10-GBL обладает хорошими эксплуатационными характеристиками, однако предназначено в целом для промышленного применения. Использование данного покрытия в частной практике ограничено его фасовкой и методами нанесения. В виде аэрозоля состав не выпускается, консистенция «жидкой сметаны» позволяет наносить его только одним способом — трафаретной печатью. Отверждается данное АФП только при нагреве в печи.

Таким образом, потребность в специальном оборудовании и навыках, а также высокая цена Molykote D-10-GBL не позволяет ему стать лидером рейтинга.

Фасовки

• Банка 1 кг, ведро 5 кг

МС 2000

МС 2000

Суспензия дисульфида молибдена на полимерной основе, отверждаемая при нагреве. Диапазон рабочих температур от -50 до +200 °C.

Покрытие МС 2000 предназначено для нанесения на юбки поршней ДВС, вал-втулочные подшипники скольжения, направляющие скольжения, закрытые и открытые зубчатые передачи, цепные передачи. Подходит для резьбовых, шлицевых, шпоночных соединений и регулировочных клиньев.

По заверению производителя данный состав предотвращает схватывание, повышает плавность работы деталей, защищает их от износа и коррозии. В качестве методов нанесения покрытия названы практически все, включая ручной (кистью) и распыление.

Для нанесения из краскопульта материал, который имеет довольно густую консистенцию, нуждается в разбавлении растворителем или техническим изопропиловым спиртом. Однако пропорций производитель не указывает, поэтому метод распыления применить не получится.

Мы попробовали нанести МС 2000 на поверхность юбки поршня кистью. В результате получили покрытие очень низкого качества: слой неравномерной толщины, с наплывами и неоднородной структурой. Реальное фото смотрите ниже.

Поршень, покрытый МС 2000, использовать не рекомендуется, однако более качественно нанести состав не представляется возможным.

С сушкой МС 2000 также справится не каждый: сложная многоступенчатая операция с использованием печи, большого количества времени и особых навыков во многих случаях невозможна.

Опытным путем доказано, что данный состав имеет плохую адгезию, что не оправдывает усилий, необходимых для его нанесения и полимеризации.

При всех прочих недостатках МС 2000 имеет очень маленькую фасовку (объем 20 грамм).

Главные плюсы метода

• выполнение работ при любых климатических условиях (давлении, температуре, влажности);
• возможность применения оборудования стационарного и переносного типа, что в последнем случае позволяет осуществлять работы по месту их проведения;
• возможность нанесения покрытия на локальные участки (дефектные места);
• возможность создания слоев с разными свойствами;
• возможность создания слоя необходимой толщины или разных по толщине в многослойных покрытиях;
• процесс не оказывает влияния на структуру изделия, на которое наносится напыление, что является важным преимуществом;
• безопасность;
• экологичность.

К недостатку этого вида напыления относят только один факт. Слои можно наносить на пластичные металлы, такие как медь, цинк, алюминий, никель и сплавы на их основе.

Производители разных стран выпускают оборудование стационарного и переносного типа для ручного и автоматизированного нанесения покрытий разной производительности на разные металлы.

Газотермическое напыление

В настоящее время наиболее широко в промышленности применяются три основных процесса:

• металлизация из проволоки;
• порошковое газопламенное напыление;
• плазменное напыление порошкообразных материалов.

Металлизация из проволок

Необходимые материалы, как правило, металлы и сплавы, в виде проволоки подаются в ацетиленокислородное пламя или в электрическую дугу. Нагретый до пластического состояния (обычно до плавления) материал вводится в струю газа или сжатого воздуха, и с большой скоростью подается на подготовленную поверхность детали, где образует покрытие.

Порошковое газопламенное напыление

Возможности применения металлизации из проволоки ограничиваются выпускаемыми в промышленности проволочными материалами. Многие материалы просто невозможно получить в виде проволоки. Самофлюсующиеся, термореагирующие сплавы, керамические материалы , а также различные смеси порошков подаются в высокотемпературную зону ацетиленокислородного пламени, затем на поверхность, где образуют покрытие. Этот способ напыления наиболее часто применяется в монтажных условиях , когда деталь либо невозможно, либо нерационально напылять в стационарных условиях.

Плазменное напыление

Способ плазменного напыления был разработан для получения наиболее качественных покрытий практически из любых материалов — от баббитов с температурой около 300°С до самых тугоплавких соединений — оксидов, нитридов, карбидов, имеющих температуру свыше 3300°С.

Что из себя представляют покрытия нанесенные газотермическим напылением?

В момент столкновения разогретых частиц с чистой шероховатой поверхностью (которая получается в результате дробеструйной обработки) они почти одновременно заполняют все неровности поверхности и остывают. Напыление продолжается, очередные частицы соединяются с предыдущими и таким образом образуется покрытие.

Рис. Поверхность после дробеструйной обработки.

Рис. Поверхность после напыления.

Рис. Напыленное покрытие.

В результате свойства покрытий до некоторой степени структурно сравнимы с литыми материалами и покрытия слегка пористые.

Области применения газотермического напыления

Газотермическое напыление относится к группе классических ресурсо- и энергосберегающих технологий. Зачастую масса нанесенного покрытия составляет лишь доли процента от массы всей восстановленной детали. Поскольку слой наносится с минимальными припусками под последующую обработку — ниже затраты на механическую обработку. Температура детали в процессе напыления ,как правило, не превышает 60. 80°С, что совершенно исключает коробление и деформации присущие способам наплавки.

Наиболее рациональные области применения покрытий:

• Восстановление и упрочнение сопрягаемых поверхностей, работающих в условиях абразивного износа.
• Сопротивление эрозии и кавитации.
• Устойчивость против высоких температур и газовой коррозии.
• Покрытия для защиты от коррозии в активных средах.

Такой широкий диапазон возможных областей применения заставляет находить технические решения только с привлечением специалистов имеющих значительный опыт в этой сфере.

Основные особенности способов нанесения покрытий газотермическим напылением

Универсальность. Никаким другим способом нельзя нанести покрытия таких различных материалов, как металлы, сплавы, окислы, карбиды, нитриды, бориды, пластмассы и комбинации материалов с температурой плавления от 300°С до 3500°С на основу из сталей, чугунов, цветных металлов без ограничений. Толщина слоя от 0,1 мм до 15,0 мм. Оптимально 0,5..3,0 мм.

Легкость управления процессом получения и составом покрытий. Энергетические характеристики изменяются в зависимости от требований технологии в процессе получения покрытий. Составом покрытия и его служебными свойствами (твердость, коррозионная стойкость, износоустойчивость и др.) можно управлять путем смешивания различных материалов. Твердость покрытия — величина управляемая в диапазоне 180 HВ..64 HRC.

Отсутствие термических деформаций и каких-либо структурных изменений материала детали при напылении ввиду незначительного нагрева. Температура детали при нанесении покрытия не превышает 100°С, что позволяет с уверенностью гарантировать отсутствие каких-либо структурных превращений не только в массиве детали, но даже и в поверхностных слоях.

Нанесение покрытия на детали без ограничения их веса и габаритов. Размеры и масса восстанавливаемых деталей определяются возможностями вращателя и грузоподъемных механизмов. При плазменном напылении в наших условиях вес деталей от 0,1..4500 кг, длина 10..3500 мм. В монтажных условиях при использовании способа газопламенного порошкового напыления вес деталей и габариты не ограничены.

Экономное использование материалов и энергоресурсов. Зачастую при износе поверхностей 0,1..1,5 мм вес покрытия составляет лишь доли процента от веса восстановленной детали. Припуски под последующую обработку минимальны и составляют 10-15% от толщины покрытия. За счет этого время простоев и затраты по обработке сведены к минимуму. Поверхности могут быть восстановлены неоднократно. Стоимость выполнения работ составляет от 5 до 50 % от стоимости нового изделия, при этом, ресурс работы детали, как правило, не менее новой или существенно выше.

Возможность замены дорогостоящих конструкционных материалов более дешевыми за счет нанесения специальных покрытий. За счет нанесения износоустойчивых, коррозионностойких, эрозионностойких, антифрикционных, жаростойких и других покрытий с управляемой твердостью от 150 НВ до 65 HRC и выше.

Газотермическое напыление как альтернатива «гальваники»

Повышение надежности изделий, снижение себестоимости их изготовления и обслуживания, продление ресурса эксплуатации, а также современные технологий реновации путем восстановления работоспособности узлов до уровня новых — наиболее приоритетные направления повышения конкурентоспособности продукции машиностроительных предприятий. Применение технологий нанесения защитных покрытий, среди которых наиболее перспективным представляется газотермическое напыление, является одним из таких путей. С использованием газотермического напыления стало возможным значительно снизить или исключить влияние на износ деталей таких факторов, как эрозия, коррозия (в том числе высокотемпературная), кавитация Газотермическое напыление может быть использовано для нанесения покрытий обладающих специальными свойствами, например: для создания термобарьерного слоя, обеспечения электроизоляционных свойств, поглощения излучения продуктов радиоактивного распада, обеспечения определенных оптических свойств, реализации селективного смачивания, создания биологически активных поверхностных свойств для различных искусственных органов и многого другого.

В промышленно развитых странах освоение техники газотермического напыления происходит путем вытеснения «грязных» гальванических технологий. Ситуация в России, сложившаяся в 80-90 гг. позволяет не реанимировать устаревшие технологии, а адаптируясь к новым условиям, вместо гальванических методов использовать новейшие технологии газотермического напыления.

Технологические возможности газотермического напыления

• газотермическое напыление можно использовать на объектах любых размеров: мосты, суда, трубопроводы, строительные конструкции, котлы, коленчатые валы, лопатки турбин;
• толщина покрытия может составлять от 0,01 до 10 и более мм; они могут иметь заданную пористость (от 0 до 30 и более процентов);
• наносить можно любые материалы, имеющие точку плавления или интервал размягчения;
• в качестве подложки можно использовать дерево, стекло, пластмассы, керамику, композиционные материалы, металлы;
• нанесение покрытий может производиться в широком диапазоне состава покрытия, температуры и давления — в низком вакууме в специальной камере с контролируемой инертной атмосферой, в воздухе при нормальных условиях, под водой;
• технология нанесения не вызывает значительного нагрева напыляемой поверхности, следовательно, обеспечивается сохранение геометрических размеров деталей.

Область применения газотермического напыления

Газотермическое напыление применяют при ремонте оборудования или упрочнении рабочих поверхностей новых деталей. В зависимости от назначения покрытия и условий его работы меняются требования к точности соблюдения основных параметров — его состава, толщины, плотности, прочности сцепления с подложкой. Основные технологические процессы, которые сегодня используются в мировой практике — это высокоскоростное напыление; плазменное напыление на воздухе с использованием таких плазмообразующих газов, как аргон, азот, гелий, воздух; детонационное или газопламенное напыление, а также электродуговая металлизация. По косвенной оценке (число продаваемого оборудования для газотермического напыления покрытий), насыщенность европейской промышленности выше насыщенности российских предприятий примерно в 350-400 раз.

За рубежом 75% запорной арматуры (шаровые краны большого диаметра) производится с газотермическим напылением карбида вольфрама на связке кобальт-хром, а остальная часть — с гальваническим нанесением хрома или никеля. У нас же 100% шаровых кранов такого же типоразмера имеют гальванические покрытия. Такое состояние дел можно объяснить большим количеством отрицательных результатов, полученных при использовании газотермических технологий в прежние годы. Анализ опыта внедрения технологии газотермического напыления в производство в прежние годы показывает, что получение отрицательных результатов было обусловленно низким качеством или несовершенством технологического оборудования и средств контроля, либо неправильным выбором технологических схем. В настоящее время отечественные предприятия, борющиеся за свое место на рынке, все чаще начинают внедрять современные методы газотермического нанесения покрытий для повышения качества выпускаемой продукции.

Рис. Газотермическое нанесение антифрикционного покрытия на ходовой винт.

Рис. Газотермическое упрочнение гофровала.

Рис. Детали насосного оборудования упрочненные газотермическим напылением

Суть процесса

Суть процесса газотермического напыления заключается в расплавлении материала покрытия (проволока или порошок) с последующим нанесением (напылением) его на основу в газовом потоке. В микрозоне удара частиц расплава о покрываемую поверхность они деформируются и растекаются, последовательно слипаясь друг с другом и затвердевая, они формируют плоский слой. Связь напылямых частиц с основой происходит за счет тепловой и кинетической энергии, которая определяется температурой и скоростью этих частиц. Связь покрытия с основой- адгезионная, она осуществляется за счет межмолекулярных сил и механического сцепления его с неровностями развитой шероховатой поверхности.

Немного о самих покрытиях

Износостоийкие

Изнашивание металлов — процесс разрушения поверностных слоев трущихся тел — характеризуется разнообразием условий их нагружения. В зависимости от этих условий следует выбирать те материалы, которые имеют большее сопротивление изнашиванию. В качестве износостойких в условиях пленочной жидкой смазки применяют антифрикционные материалы (баббиты, бронзы). При сухом трении до 500оС — сочетание твердых материалов с мягкой связкой (карбид вольфрама — кобальт или никель). При повышенных температурах (до 900оС) — карбид хрома — нихром. При высоких температурах — материалы, дающие устойчивые оксиды: алюминид никеля, нихром, или покрытия, содержащие твердые смазки ( графит, дисульфид молибдена, нитрид бора). При возможности абразивного изнашивания применяют твердые наплавочные материалы — самофлюсующиеся покрытия, содержащие бориды, карбиды. При эрозионном пылевом изнашивании помимо самофлюсующихся покрытий хорошо себя зарекомендовали плотные пленки на основе карбидов вольфрама или хрома, полученные при напылении высокоскоростным способом. Газотермические покрытия пористостью 5-15% при жидкостном трении обладают более высокой износостойкостью, чем новая деталь. Так, у нового стального вала двигателя внутреннего сгорания после прекращения подачи обычной моторной смазки через 2,5…3 ч происходит разрушение масляной пленки, а затем заедание в баббитовом подшипнике, что приводит к резкому увеличению коэффициента трения и разрушению подшипника. Заедание вала с напыленным стальным покрытием происходит через 22,5 ч после прекращения подачи смазки при постепенном повышении коэффициента трения. Если в качестве смазочного материала использовали графитизированное масло, то заедания вала с напыленным покрытием не наблюдалось после 190 ч с момента прекращения подачи смазки.

Жаростойкие

Жаростойкие покрытия образуют плотную оксидную пленку, которая защищает подложку от окисления. Оксиды алюминия, хрома, кремния имеют плотное строение и высокую прочность сцепления. Жаростойкими являются сплавы в системах Ni-Al, Ni-Cr, Ni-Cr-Al, Ni-Co-Cr-Al-X, MoSi2, . Теплозащитные покрытия (ТЗП) должны иметь низкое значение коэффициента теплопроводности l и высокую температуру плавления.Наиболее подходящим материалом для ТЗП является оксид циркония. ТЗП лопаток турбины ГТД должно иметь l менее 2,5 Вт/(м•К). ТЗП из ZrO2 имеет пористость 15±5%, при которой l

Покрытие поршней молибденом

Так же, как и нитрид титановое покрытие, покрытие из молибдена защищает поршень от большого перегрева, уменьшает сопротивление к стенкам блока цилиндров, предотвращает появление царапин на с его стенках.

Одно из хорошо зарекомендовавших молибденовых покрытий является марка МС2000.

Хватает его на 50 000 км пробега автомобиля, главное при его нанесении на поршень четко придерживаться инструкции по применению.

Стоит ли использовать

Это главный вопрос, на который каждый автомобилист должен ответить сам.

Польза и эффективность специального покрытия находится вне всякого сомнения. Но проблема в том, что нанесение такого слоя процедура достаточно дорогая и сложная, требующая демонтажа мотора и его разборки.

В настоящее время покрытие поршней получило наиболее широкое распространение в гоночных автомобилях, на спортивных машинах и на авто, которые являются серьёзным тюнинг-проектом с прицелом на максимальное увеличение мощности. Чтобы справиться с такими нагрузками, поршню нужна дополнительная защита. И протекторные покрытия с этим прекрасно справляются.

Что же касается гражданского транспорта, то здесь потребности в подобных мерах нет. Для начала учтите, что автопроизводители на этапе сборки уже вносят специальное покрытие, необходимое для эффективной приработки деталей. Наносить его повторно уже не имеет смысла. А доработка путём обработки нитридом титана или керамикой крайне дорогая и технически сложная. Обычные автомобили не работают при таких нагрузках, чтобы нуждаться в подобной защите.