Электродуговая металлизация с жидким углеводородным топливом

Использование жидкого углеводородного топлива для цели активации электродуговой металлизации является одним из инновационных способов активного снижения уровня окислительного потенциала в факеле гетерофазного потока и повышения его скоростного уровня, что обеспечивает существенное улучшение физико-механических свойств металлизационных покрытий.

Электродуговая металлизация, активация процесса, окислительный потенциал, адгезионно-когезионная прочность, плотность покрытия, твердость слоя, износостойкость, расширение номенклатуры восстановления деталей.

За рубежом и у нас пытаются решать эти вопросы улучшением конструкции системы истечения воздуха, придавая ему сверхзвуковую скорость. Одним из основных качественных показателей является скорость полёта частиц диспергированного металла.

Расчёты параметров полёта частицы проводились на ЭВМ IBM PC/AT при газодинамических схемах обдува частицы: воздушной струёй и воздушной струёй на начальном участке с последующим горением горючей смеси на основном участке.

Анализ результатов проведенного теоретического исследования по принятым расчётным моделям показывает, что использование высокотемпературной газовой струи для диспергирования расплавленных частиц при электродуговой металлизации увеличивает скорость полёта частиц примерно на 50% по сравнению с воздушной струёй.

Если допустить, что прочность сцепления напыляемого металла примерно пропорциональна скорости полёта частиц, то следует ожидать увеличения прочности сцепления металла с основой на 50% (для Fe при дистанции металлизации Х = 120 – 150 мм).

По данным теоретических расчетов, окислительный потенциал среды по сравнению с воздухом уменьшается в 2 раза. Вледствие преобразования тепловой энергии в кинетическую энергию движения гетерофазного потока его максимальная скорость (Vmax) без учета потерь может быть достигнута 630 – 830 м/с при коэффициенте избытка воздуха равного 2 и 1 соответственно.

Итак, на основании теоретических расчётов были определены количественные показатели уменьшения окислительного потенциала газовой среды и увеличения скорости полёта частиц диспергированного металла. С целью проверки теоретических данных выполнены экспериментальные исследования некоторых физико-механических свойств металлопокрытий (адгезионная прочность, пористость, твёрдость), непосредственно связанных с окислительной характеристикой газовой среды и скоростью полёта частиц. Для нанесения покрытий использовалась проволока Св-08ГА, давление воздуха составляло 0,55 МПа, напряжение – 30В, сила тока – 300А, толщина покрытия – 2-2,5 мм, дистанция металлизации равна 120 мм.

В результате сравнительных испытаний образцов установлено, что при подаче жидкого топлива (бензина) в область электрической дуги металлизатора адгезионная прочность увеличивается на 56%, твёрдость выше на 7 единиц HRC, пористость уменьшается в 2,6 раза. Среднее абсолютное значение адгезии составляет 4,8 кгс/см2, без подачи топлива – 2,7 кгс/см2; среднее значение твёрдости покрытия – 45 HRC, без топлива – 38 HRC.

Повышение твердости покрытия может быть следствием химико – термической обработки диспергированных частиц металла, расплавленного электрической дугой. Так как газовая среда вокруг частиц металла представляет собой продукты сгорания углеводородного топлива в воздухе и содержит N2, CO2, O2 и пары воды H2O, то наиболее вероятно, что химико – термическая обработка сводится к процессу цементации и азотированию по известной схеме: диссоциация, абсорбция, диффузия. Атомарный азот и углерод, активно поглощаемые металлом, образуются под воздействием электрического поля между электродами и высокой температуры дуги:

N2 → N + N; CO2 → CO + O; CO → C + O

В результате микроструктурного анализа металлопокрытий установлено, что при подаче топлива (рисунок 1) в слое границы между частицами очень тонкие, местами едва различимые, общая пористость в слое не превышает 5%. Без подачи топлива (рисунок 2) границы между частицами металла в слое тонкие, чёткие, имеет место утолщение границ; между частицами в слое имеются поры, в среднем пористость в слое – 11-13%. При проведении экспериментальных исследований расход жидкого топлива (бензин) – 0,5 г/с, что составляет 50% от расчётного. Это говорит о том, что на практике не было достигнуто полное использование возможностей применения жидкого топлива при электродуговой металлизации.

Если выйти на расчётный расход топлива, можно получит более высокую скорость полёта частиц и более сильную защитную атмосферу факела распыла, предохраняющую диспергированный металл от окисления. В этом случае физическая связь частиц между собой и с подложкой будет более прочной, а покрытие более плотным.

Специалистами компании Сварзавод разработан новый тип активированного электродугового металлизатора с газодинамическим диспергированием металла ЭДМ – 6ГД, в котором энергоноситель в отличии от ЭДМ-5У – электрическая дуга и сжатый воздух заменен на электрическую дугу и высокоскоростную струю продуктов сгорания жидкого углеводородного топлива (бензин, керосин). Принята схема внешнего бескамерного сгорания.

Испытания ЭДМ – 6ГД показали, что дуга может гореть стабильно при количестве подаваемого топлива – 0,5 г/с. При дальнейшем увеличении его подачи начинается сбой в горении дуги вплоть до её гашения при расходе топлива в 1 г/с. Это явление можно объяснить прекращением ионизации газа (смеси воздуха с парами топлива), обеспечивающей токопроводность в межэлектродном пространстве.

Предполагается, что для обеспечения поддержания надежного горения дуги требуется, чтобы топливо содержало ионы вещества, растворенного в нем. Такая ионизация молекул веществ возможна без внешнего ионизатора за счет их взаимодействия с молекулами растворителя. При слабой степени диссоциации веществ при их растворении в жидком углеводородном топливе процесс ионизации может быть завершен под воздействием электрического поля в межэлектродном пространстве и высокой температуры электрической дуги. Таким образом, возможно достижение стабильного горения дуги при увеличении подачи топлива до 1 г/с и более.

Практическое значение ЭДМ – 6ГД заключается в том, что стало возможным отказаться от специальной порошковой проволоки и применять в 2-3 раза более дешёвые стандартные цельнотянутые проволоки. Это обеспечит предприятиям, использующим ЭМ для восстановления деталей, значительные экономические выводы.

Выводы

• Проблемы в электродуговой металлизации – скорость гетерофазного потока и окислительный потенциал – решаются созданием металлизатора со сверхзвуковым соплом, повышающим истечение сжатого воздуха примерно в 2 раза и газодинамическим диспергированием металла, в котором в сжатый воздух добавляется жидкое углеводородное топливо (бензин, керосин). Диспергирование металла осуществляется продуктами сгорания данного топлива и т.о. повышается энергетический уровень потока и снижается в 2 раза окислительный потенциал.
• При газодинамической металлизации с добавлением жидкого углеводородного топлива увеличивается скорость полёта частиц на 30 – 50%, что соответственно обеспечивает увеличение адгезии на 56%, уменьшает пористость в 2,6 раза и повышает твёрдость на 18%.