Результат интеллектуальной деятельности: Способ газопламенного напыления порошковых материалов с получением покрытия на никелевой основе посредством термораспылителя

Изобретение относится к области газотермических технологий и может быть использовано при нанесении порошковых покрытий методом низкоскоростного газопламенного напыления.

Известные способы получения низкоскоростного газопламенного напыления состоят в том, что определенная смесь кислорода (или воздуха) с горючим газом поступает в горелку, где поджигается и образует факел. В этот высокотемпературный поток газа подается порошковый материал, который нагревается до пластичного состояния и уносится на основу, где образует покрытие (см. книгу В.А. Линик, П.Ю. Пекшев. «Современная техника газотермического нанесения покрытий». - М., Машиностроение, 1985, с. 7).

Основным недостатком этого способа является зависимость качества покрытия от реализуемости условий полного проплавления частиц порошка, не обеспечивающееся в условиях ограниченной протяженности (20-30 мм) высокотемпературной зоны факелов известных горючих газовых смесей стандартных термораспылителей. Следствием чего является низкая (3-5 МПа) прочность сцепления с основой.

Для гарантированного устранения указанного недостатка необходимо многократное увеличение «активной» зоны факела (см. книгу М.А. Белоцерковский, «Технологии активированного газопламенного напыления антифрикционных покрытий». - Мн.: УП «Технопринт» 2004, рис. 2.7., с. 65).

Известно предложение позволяющее увеличить протяженность «активной» зоны пламени путем формирования вторичного соосного факела, горящего с отрывом на некотором расстоянии от сопла термораспылителя за счет высокой скорости подачи рабочей смеси (SU №1787171 A3, С23С 4/12, опубл. 07.01.1993 г.).

Однако двукратное увеличение длины высокотемпературной зоны спутных факелов, в данном случае, так же сдерживается узостью рамок близких к стехиометрическим соотношениям используемых горючих смесей.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению, является способ газопламенного напыления металлических порошков (патент RU №2169792 С2, МПК С23С 4/12, опубл. 27.06.2001 г.), включающий введение в пламя, образованное при сгорании ацетилена и кислорода, струи, состоящей из транспортирующего газа-аммиака и напыляемого порошка. В результате диссоциации аммиака (NH₃→N+3H) в ядре основного пламени и внешнего бескамерного горения смеси атомарного водорода с воздухом происходит удлинение факела, выравнивание профилей температур, интенсификация процесса передачи тепла от струи к порошку.

Однако при значительном удлинении факела необходимо проведение дополнительных мероприятий по защите порошкового материала от окисления, снижающего физико-механические свойства покрытия.

По своим свойствам аммиак очень ядовит, вдвое легче воздуха, смесь с которым взрывоопасна. Работа с газом относится к работам с повышенной опасностью и регламентируется ПОТ Р О-14000-005-98 («Положение. Работы с повышенной опасностью. Организация проведения».)

В силу вышеназванных причин при работе с газообразным аммиаком у предприятий и персонала возникает гораздо больше организационных и технических проблем связанных не только с закупкой, использованием и хранением газа, но и с разрешительной системой. Этим очевидно и обусловлено отсутствие коммерческой востребованности способа.

Задача предлагаемого изобретения - повышение физико-механических свойств покрытия поверхностей деталей машин и инструмента и снижение опасности в работе.

Сущность изобретения заключается в том, что способ газопламенного напыления порошковых материалов с получением покрытия на никелевой основе посредством термораспылителя, включающий активирование пламени, образованного при сгорании ацетилена и кислорода, путем подачи исходной активирующей добавки в виде пищевой порошкообразной соли аммония транспортирующим воздухом в центральный канал термораспылителя с образованием активирующего атомарного водорода и имеющего антиокислительные свойства углекислого газа и введение напыляемого порошкового материала в активированное пламя инжекцией в виде радиальной подачи напыляемого порошкового материала в струе воздуха под срез сопла термораспределителя.

Технический результат направлен на повышение физико-механических свойств порошковых покрытий поверхностей деталей машин и инструмента.

Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе газопламенного напыления порошковых материалов с помощью активированного газового пламени предусматривается возможность регулирования протяженности активной зоны пламени введением в его ядро порошка солей аммония Е503, дающих при многократном термическом разложении дополнительные объемы горючего газа в виде атомарного водорода.

Пищевые карбонаты аммония (Е503) по ГОСТ Р 55580-2 013 подразделяют на:

- E503(i) смесь солей карбоната аммония, гидрокарбоната аммония и карбамата аммония;

- E503(ii) гидрокарбонат аммония.

Обозначения, наименования, химические названия, формулы и молекулярные массы пищевых карбонатов аммония приведены в таблице 1.

Пищевые карбонаты аммония не токсичны, пожаро- и взрывобезопасны.

По степени воздействия на организм человека пищевые карбонаты аммония в соответствии с ГОСТ 12.1.007 относятся к веществам -пищевым порошкообразным солям аммония.

По физико-химическим показателям пищевые карбонаты аммония должны соответствовать требованиям, указанным в таблице 2.

Карбонат аммония очень неустойчив и при невысокой температуре (30°С) начинает выделять NH₃, превращаясь в гидрокарбонат по формуле:

Гидрокарбонат при этой температуре начинает выделять СО2, а при незначительном нагревании разлагается по формуле:

Во время движения и нагрева солей аммония по центральному каналу термораспылителя, например УПН-8-68, происходит быстрое разложение порошкообразного вещества на газообразные компоненты по формулам представленным выше.

При нагреве газообразного аммиака до температуры 1000°С происходит его полная диссоциация (NH₃→N+3H) в ядре основного пламени.

В результате внешнего бескамерного горения смеси атомарного водорода с воздухом происходит удлинение факела, выравнивание профилей температур, интенсификация процесса передачи тепла от струи к порошку, а также его защита от окисления дополнительными объемами выделяемого углекислого газа.

Способ поясняется чертежом, на котором представлена схема структуры газового факела - активированного пищевыми порошкообразными солями аммония, где L - длина не ограниченной стехиометрическими соотношениями, увеличенной до требуемой для проплавления порошкового материала, «активной» зоны.

Способ достигается подачей через центральный канал термораспылителя в «активную» зону струи дополнительного количества водорода при неизменном расходе компонентов основной горючей смеси. Водород, имея меньшую скорость горения и не требующий для этого избытка воздуха (кислорода), в широких пределах увеличивает длину пламени.

При осуществлении способа можно использовать любое серийное оборудование, работающее с применением любых известных горючих газов. Соли аммония, с не истекшим сроком годности, пригодны для получения покрытий без какой-либо подготовки.

При использовании комплекта установки УПН-8-68 напыляемый порошковый материал подавался в активированное пламя под срез сопла. Подача солей аммония дозировалась визуально, по необходимой для проплавления конкретного порошкового материала длине факела, вентилем штатного порошкового питателя.

Качественные характеристики напыленного слоя контролировались образцами - «свидетелями». Прочность сцепления покрытий ряда конструкционных металлов и сплавов на никелевой основе, установленная по клеевой методике, превышает 20 МПа.