1.2. Опис технологічного процесу

1. Обґрунтування асортименту продукції і технологічних умов на неї

У двигунах внутрішнього згоряння процеси спалювання палива, виділення теплоти й перетворення частини її в механічну роботу відбуваються безпосередньо усередині двигуна. До таких двигунів відносяться поршневі й комбіновані двигуни, газові турбіни й реактивні двигуни.

Швидке поширеннядвигунів внутрішнього згоряння. (ДВЗ) у промисловості, на транспорті, у сільському господарстві й стаціонарній енергетиці було обумовлено наступним. Здійснення робочого циклу двигунів внутрішнього згоряння в одному циліндрі (в одній порожнині) з малими втратами теплоти й значним перепадом температур і тисків між джерелом теплоти й холодним джерелом забезпечує високу економічність цих двигунів..

У зв'язку зі сказаним вище необхідно підвищувати термін дії ДВЗ, а відповідно деталей ДВЗ, що працюють в умовах високих температур, агресивних середовищ, високих тисків; які піддаються зношуванню й стиранню.

У поршневого двигуна основними деталями є: циліндр, кришка циліндра, картер, поршень, шатун, колінчатий вал, впускні й випускні клапани. У механізмі двигуна клапан працює, в умовах найбільш високих температур. Температура головок випускних клапанів може досягати 850...900°С, а в «адіабатних» двигунах може бути ще вище. На рис. 1.5 представлено типову конструкцію механізму газорозподілу із впускним 1 і випускним 3 клапанами, що застосовуються в автомобільних, тракторних й інших типах двигунів. Клапани повинні надійно герметизувати порожнину циліндра й створювати якнайменші гідравлічні втрати при русі свіжого заряду й випускних газів. Основними елементами клапана є головка й стрижень. У впускного клапана головку часто роблять більшого діаметра, чим у випускного, для поліпшення наповнення циліндра. Клапани працюють у тяжких умовах, тому їх виготовляють із високоякісної сталі. Для економії цього матеріалу головки клапанів (особливо випускних) часто виконують із жароміцної сталі, а стрижні - з вуглецевої сталі з наступним їх приварюванням; також широко використовується напилювання жаростійких покриттів на головки клапанів. При роботі клапанів доцільно їхнє обертання за допомогою спеціального механізму, що підвищує рівномірність розподілу температури по окружності головки, поліпшує герметичність і підвищує термін служби клапана.

Принцип роботи газорозподільного механізму. В передній частині колінчастого валу жорстко закріплена газорозподільна зірочка, яка обертається разом з валом. Потім обертання через ланцюг і зірочку розподільного валу передається на розподільний вал. На нім є виступи особливого профілю, або кулачки. За це його називають ще і «кулачковим валом».

При обертанні валу кулачок, рухаючись по колу, натискає на верхню частину клапана і, долаючи опір пружини, відкриває клапан. Потім, коли кулачок обертається далі, перестає давити на клапан, і пружина, розтискаючиь, закриває клапан.

1 - шестерня розподільного валу; 2 - куркульки; 3 - розподільний вал;

4 - підшипник; 5 - клапани; 6 - пружини; 7 - ремінь; 8 - колінчастий вал з маховиком; 9 - газорозподільна шестерня.

Рисунок 1.5 - Схема газорозподільного механізму

Такий механізм газорозподілу називається верхньоклапанним, з ланцюговим приводом і верхнім розташуванням розподільного валу. Тобто газорозподільний вал приводиться в обертання ланцюгом і знаходиться у верхній частині двигуна.

Клапани – призначені для відкривання і закривання впускних або випускних вікон. Впускний клапан виготовляють із жаростійкої хромокремнієвої сталі, а випускний - із хромонікельмарганцевистої сталі. Зовнішній діаметр тарілки впускного клапану більший ніж випускного.

Клапан складається із головки і стержня. Випускні клапани мають внутрішній об’єм, заповнений металевим натрієм. Температура впускних клапанів під час роботи досягає 450°С, а випускних до 950°С. Рухаються клапани в напрямних втулках, виготовлених із металокераміки. Клапани мають наплавлену стійким сплавом робочу фаску.

На рисунку 1.6 представлено ескіз клапана двигуна внутрішнього згорання.

Рисунок 1.6 - Ескіз клапану двигуна внутрішнього згорання

Для рівномірного зносу клапани деяких двигунів (ЗИЛ) мають механізм примусового обертання. При частоті обертання колінчастого вала 3000 хв-1 частота обертання випускного клапана досягає 30 хв^-1.

Нашим завданням буде нанести покриття на головку випускного клапана, матеріал покриття повинен мати такі характеристики: високу температуру плавлення, гарне зчеплення зі сталлю, високу корозійну й ерозійну стійкість в агресивних середовищах ( продукти горіння ), низьку теплопровідність; а також бути по можливості дешевим і таким, який технологічно легко напиляється.

2. Обґрунтування вибору основних видів сировини і технічні умови для на неї

Для отримання якісного покриття необхідно вибрати перш за все напилюваний матеріал, який підходив би по всім параметрам. Також необхідно проаналізувати отримане покриття. В табл. 1.1 наведені технічні умови на сировину.

З інтерметалевих сплавів найбільшого поширення набули сплави на основі Ni-А1, Ni-Ті. Покриття з сплаву ПН85Ю15 характеризується високою корозійною стійкістю, високою стійкістю проти окислення і може працювати за

температури до 1300 °С, має високу міцність зчеплення зі стальною основою (40-50 МПа). Слід взяти до уваги, що покриття з цього сплаву дещо крихке, тому- його можна наносити на деталі, які не мають ударних навантажень. Сплав ПТ88Н12 має властивості близькі до властивостей попереднього сплаву. Міцність зчеплення з сталевою основою становить 44...55 МПа. Хоча ці сплави мають високу міцність зчеплення з основою і достатньо високу твердість їх використовувати недоцільно так, як матеріал покриття має буде уповільнювати процес припрацювання. Також порошки металів нікелю і титану мають високу вартість.

Для підвищення теплостійкості деталей двигунів в основному, з метою збереження пружних властивостей після довготривалих витримок при робочих температурах застосовують матеріали на основі заліза з добавками вуглецю, міді, марганцю, кремнію. До класу сплавів на основі заліза для напилення покриттів газотермічними методами належать порошки з різноманітних вуглецевих та легованих сталей. Однак такий склад не забезпечує достатньо високих зносо- і теплостійкості, тому для покрашення цих характеристик, а також для зниження коефіцієнту тертя, проводиться нанесення захисних покриттів, які дозволяють забезпечити ресурс до 10⁴ годин і L ≈ 300000 км в продовж 10 років. Тому у нашому випадку покриття з порошків сплавів на основі заліза не підходять.

Як матеріал для напилення покриттів можна використовувати чавуни марок СЧ 18-36, ПР-ЧН15Д7 та інші чавуни, особливо з високим вмістом силіцію. Але використовувати покриття з чавуну недоцільно за тими ж самими причинами, що і сплави на основі заліза. Однією з переваг чавунів перед іншими сплавами на основі заліза є їх значно менша вартість.

Провідне місце серед матеріалів, які застосовуються для напилювання покриттів посідають самофлюсивні сплави (СФС). До СФС належать сплави на

основі нікелю, заліза, кобальту, які містять у своєму складі бор та силіцій у кількості не менше 1,5%. Одна з переваг таких сплавів - те, що покриття з них можна оплавляти, внаслідок чого досягається висока міцність зчеплення з

основою (до 450 МПа) і майже стовідсоткова щільність. Для самофлюсивних сплавів на основі нікелю так і для СФС на основі заліза характерним є наявність в складі карбідо- і боридотвірних елементів. У цьому випадку значно збільшується зносостійкість та жароміцність покриттів з таких сплавів, а твердість, в залежності від ступеня легування, складає 40...60 НЯС. Уміст бору в сплавах на основі нікелю може змінюватись в межах 1,0...4,0 %, силіцію - 2,0...5,0'%, хрому - 5,0...27,0 %, вуглецю - до 1,0 %. До переваг самофлюсівних сплавів на основі заліза можна, віднести меншу вартість в порівнянні з подібними на основі нікелю. Властивості СФС на основі заліза (твердість, зносостійкість, структура, температура плавлення та ін.) залежить від їх складу, який може змінюватися у таких відсоткових межах: Ni = 15… 40; Сr = 3,5...10,0; В = 2...4; Sі = 1...3; С = 0,8...2. Висока вартість легуючих елементів самофлюсівних сплавів збільшує вартість покриття.

Таблиця 1.1 - Технічні умови на сировину і готову продукцію

Найменування	Характеристика	Нормативні документи
Порошок карбіду хрому: Сr3С2	d=100..200 мкм , склад: 13,3% -С, решта – Сr.	ТУ 01-82-71
Порошок нікель- хромовий марки: ПХ20Н80	d = 200...300мкм, склад: 20% Сг, решта-Ni	ДСТУ 13084 - 67

Покриття з порошків молібдену і хрому широко застосовують як зносостійкі покриття. їх наносять на поверхні деталей машин та механізмів, які працюють в умовах тертя. З молібдену і хрому можна наносити зносостійкі та антифрикційні покриття, які працюють за високих температур. Це покриття на поршневих кільцях двигунів внутрішнього згорання, отвори в газових двигунах.

3. Опис технологічних операції

1. Сушка порошку

Для одержання якісних покриттів перед напилюванням необхідно зробити цілий ряд операцій, зокрема підготувати порошок.

У зв'язку з тим що в наш час відсутнє промислове виробництво порошків, призначених спеціально для нанесення детонаційних покриттів, необхідно оцінювати придатність порошків, що випускають для порошкової металургії. Перед напилюванням необхідно сушити порошки, особливо при використанні дрібнодисперсного порошку з розміром часток 20мкм. Окисні матеріали можна сушити на повітрі при температурі 200-250°С. Металеві матеріали, як правило, не рекомендується нагрівати на повітрі вище температури 70-100°С. Будь-які порошкові матеріали, які використовують для напилювання, можуть бути висушені у вакуумній сушильній шафі при температурі вище 200°С у плин не менш 1 години. При цьому відбувається не тільки видалення вологи, але й часткове очищення поверхні часток. Сушать порошок безпосередньо перед напилюванням, що дозволяє істотно зменшити агрегування часток і поліпшити умови їхнього транспортування з дозатора в стовбур установки.

2. Мийка й очищення поверхні

Методи очищення металевих виробів від забруднень діляться на: а)механічні - змивання, оббивання, стирання й ін.; б) хімічні - травлення в розчинах і розплавах, омилення й ін.; в) колоїдно-хімічні - знежирення; г) електрохімічні; д) ультразвукові; е) термічні -вогневі, прожарювання в окисних, відновних і нейтральних атмосферах; ж) комбіновані.

При підготовці поверхні до нанесення будь-яких покриттів перед травленням, нагрібанням, струменно-абразивною й електроіскровою обробкою поверхню деталі знежирюють органічними розчинниками (бензином, уайт- спиритом, ацетоном, тетрахлоретиленом, трихлоретиленом й іншими

хлорованими вуглеводнями ), миючими засобами, лужними розчинами й різними емульсіями за ДСТ 9.402-80. Операція очищення миючими засобами,

як у нашому випадку, здійснюється у ванні для мийки. Від чистоти поверхні деталі в значній мірі залежить якість напилювання. Наявність на поверхні бруду, оксидних плівок, масла - зменшує міцність зчеплення покриття з металом деталі.

Очищення й мийку деталей виконують загальноприйнятими методами (машинне або ручне промивання розчинниками, очищення шкребками, обдування стисненим повітрям). Необхідно ретельно очистити не тільки поверхні які напиляються, але й прилягаючі до них ділянки (щоб уникнути переносу забруднення на напиляєму поверхню). Після знежирення деталей водяними розчинами або емульсійними составами їх промивають водою (ДЕРЖСТАНДАРТ 2874-82) для того щоб повністю видалити залишки миючих і травильних розчинів, після чого сушать у сушильних шафах при температурі 60-150°С або обдувають стисненим повітрям (ДЕРЖСТАНДАРТ 9.0 І 0-80). Деталь на наступну операцію повинна надходити сухою і чистою.

3. Ізоляція поверхні яка напиляється.

Крім підготовки поверхні деталей для напилювання велике значення має захист поверхонь, які не повинні піддаватися впливу потоку часток і на яких не повинне утворюватися покриття. Через високу адгезію детонаційних покриттів їхнє видалення механічною обробкою не завжди раціонально через значні матеріальні витрати й через необхідність застосування спеціального інструмента. Поверхні, які не підлягають напилюванню, повинні бути захищені від влучення на них матеріалу що напиляється, тому частини деталей які захищають, обгортають картоном або азбестом, який закріплюють дротом. Із цією метою використовують також металеві екрани. Якщо за технологією передбачається струйно-абразивна обробка, то ізоляція поверхонь проводиться перед нею. У противному випадку при струйно-абразивній обробці можуть бути ушкоджені різьбові отвори, шпонкові канавки й ін. Абразивні частки, що потрапили в отвори для змащення, важко видалити, а це може викликати

серйозні ушкодження робочих поверхонь деталі при експлуатації.

При струйно-абразивній обробці для захисту поверхонь звичайно застосовують металеві екрани (маски) і спеціальні настановні пристосування. Іноді деталі встановлюють у пристосуванні так, що незахищеними залишаються тільки поверхні, що підлягають напилюванню.