close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY 04731

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(19)
BY (11) 4731
(13)
C1
7
(51) B 05B 7/20
(12)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
СПОСОБ ГАЗОПЛАМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ ПОКРЫТИЙ
ИЗ ПРОВОЛОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ
(21) Номер заявки: 970710
(22) 1997.12.19
(46) 2002.09.30
(71) Заявитель: Институт
надежности
машин
Национальной академии наук Беларуси (BY)
(72) Авторы: Белоцерковский М.А., Белоцерковский
А.М., Полупан Ю.В. (BY)
(73) Патентообладатель: Институт
надежности
машин
Национальной
академии
наук
Беларуси (BY)
(57)
Способ газопламенного напыления покрытий из проволочных материалов, при котором в факел пламени
термораспылителя подают проволоку с определенной скоростью, отличающийся тем, что скорость подачи
проволоки V (м/с) выбирают с учетом величины теплового потока факела термораспылителя, используя следующее выражение:
V=
4q L
,
ρd[λK т + C ln(Tп K т )]
где Тп - температура пламени в зоне распыла, К;
Kт =
1
; Тм - температура плавления материала проволоки, К;
Tп − Tм
ρ, λ, C - соответственно, удельная масса (кг/м3), удельная теплота плавления (Дж/кг), удельная теплоемкость (Дж/кг⋅град) материала проволоки;
d - диаметр проволоки (м);
L
q L = q( x )dx , где L - расстояние от выхода проволоки из сопла до точки распыла (м);
³
O
q(x) - параметр теплопередачи на границе контакта проволоки с пламенем;
ф
q( x ) =
, где ф - поверхностная плотность теплового потока (Вт/м2);
∆T
BY 4731 C1
∆T- разница температур на границе контакта проволоки с пламенем.
(56)
Bohme O. Thermisches spritzen. ZIS Mittellungen, Halle 28, 1986, 3, S. 323-325.
Metting А. Metal spraying. From gas flame to plasma jet. British welding Journal, 9,1966. - Р. 526-532.
WO 9323585 A1.
EP 0458018 A2, 1991.
JP 63137764, 1988.
Изобретение относится к технологии восстановления-упрочнения быстроизнашивающихся деталей машин и элементов конструкций газопламенным напылением покрытий из проволочных материалов. Способ
BY 4731 C1
может быть использован при восстановлении посадочных мест под подшипники на валах и в корпусных деталях, шеек коленчатых валов, для нанесения антифрикционных покрытий на изношенную поверхность деталей узлов трения, для получения коррозионностойких слоев на поверхностях, контактирующих с агрессивными средами.
Известен способ газопламенного напыления покрытий из проволочных материалов (Matting А. Metal
spraying: From gas flame to plasma jet. - British Welding Journal. - 9, 1966. - Р. 526-532), заключающийся в подаче проволочных материалов в факел пламени термораспылителя со скоростью, определяемой визуально
по внешнему виду струи распыленных частиц и поверхностному слою формируемого покрытия. Недостатком известного способа является невозможность определения оптимальной скорости подачи проволоки,
обуславливающей основные показатели качества покрытий (плотность покрытий и их прочность сцепления с
основой). Визуально можно определить с очень большой погрешностью степень распыла только у относительно тугоплавких металлов (с Тпл. более 1400 °С), а при распылении цинка, алюминия, латуней и бронз
световые треки летящих частиц сливаются с пламенем факела, особенно с пламенем, образованным пропанбутан-кислородной смесью.
Подача проволок со скоростями меньше или больше оптимальных вызывает ухудшение качества покрытий, неравномерный распыл, повышение количества частиц размером от 100 до 300 мкм.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ газопламенного напыления покрытий из проволочных материалов (Bohme О. Termisches spritzen. - ZIS - Mitteillungen, Halle, 28.
- № 3. - 1986. - S. 323-325), принятый за прототип, заключающийся в подаче в факел термораспылителя проволок со скоростями, выбранными экспериментально в зависимости от диаметра и температуры плавления
проволок и сведенными в таблицы. Данные таблицы содержатся в паспортах выпускаемых серийно термораспылителей и соответствуют только этому типу установок (Матвейшин Е.Н. и др. Влияние параметров режима распыления на расход материалов и качество покрытий при газопламенной проволочной металлизации. - Сварочное производство. - № 1. - 1986. - С. 5-7). При замене горючего газа данными таблицами
пользоваться нельзя, так же как и в случае модернизации распылительной камеры серийного металлизатора
или при разработке новой конструкции установки газопламенного напыления. Экспериментальные исследования с целью выбора оптимальной скорости подачи проволоки отнимают много времени и материальных
ресурсов.
Задачей является упрощение реализации способа при любом изменении параметров газового факела и
состава горючей смеси путем определения скорости подачи проволоки расчетным путем.
Для решения поставленной задачи в способе газопламенного напыления покрытий из проволочных материалов, при котором в факел пламени термораспылителя подают проволоку с определенной скоростью, согласно изобретению, скорость подачи проволоки V (м/с) выбирают с учетом величины теплового потока факела термораспылителя, используя следующее выражение:
V=
4q L
,
ρd[λK т + C ln(Tп K т )]
где Тп - температура пламени в зоне распыла;
Kт =
1
; Тм - температура плавления материала проволоки, К;
Tп − Tм
ρ, λ, C - соответственно, удельная масса (кг/м3), удельная теплота плавления (Дж/кг), удельная теплоемкость (Дж/кг⋅град) материала проволоки;
d - диаметр проволоки (м);
L
qL =
³ q(x)dx , где L - расстояние от выхода проволоки из сопла до точки распыла (м);
O
q(x) - параметр теплопередачи на границе контакта проволоки с пламенем;
q(x ) =
ф
, где ф - поверхностная плотность теплового потока (Вт/м2);
∆T
∆Т - разница температур на границе контакта проволоки с пламенем.
В основе предлагаемой расчетной методики определения скорости подачи проволоки в факел термораспылителя лежит составление уравнения теплового баланса в системе "проволока-факел" с учетом теплопередачи, зависящей от условий на границе раздела пламени с металлом.
Основными параметрами процесса нагрева металла посредством вынужденного конвективного теплообмена являются температура пламени и коэффициент теплопередачи от пламени к металлу, которые зависят
от состава исходной горючей смеси и условий ее сжигания. Тепловой поток, проходящий сквозь границу
раздела двух фаз при наличии в ней температурного скачка ∆Т, определяется как
2
dq
= q∆TS , где q - коэффиdτ
BY 4731 C1
циент теплопередачи, зависящий от условий на границе контакта проволоки с факелом (Дж/см2⋅град); S площадь поперечного сечения потока (м2). Найдя поверхностную плотность теплового потока ф термораспылителя с помощью калориметрического зонда, определяют параметр теплопередачи как
q(x ) =
ф
.
∆T
Составляя уравнение теплового баланса с учетом того, что скорость перемещения проволоки V определяется как V =
dx
, и интегрируя q(x) на участках, соответствующих нагреву металла до температуры плавлеdτ
ния и дальнейшему нагреву с последующим распылением, получили уравнение, позволяющее определить
оптимальную скорость движения проволоки любого диаметра из любого материала в любом термораспылительном устройстве.
Примеры реализации способа.
1. Стальную и алюминиевую проволоки диаметром 2 мм использовали для нанесения покрытий на установке проволочной термораспылительной "ТЕРКО". В качестве горючего газа был выбран пропан-бутан. С
помощью калориметрического зонда по известной методике (Сергеев В.А., Безладнов Г.М., Ляшкевич В.Д.
ИФЖ. - Т. ХХ. - № 4. - 1971. - С. 49-54) определяли плотность теплового потока. Калориметрический зонд
представляет из себя стальной стержень диаметром около 5 мм и длиной 35...45 мм с зачеканенной с заднего
торца термопарой. Зажигали факел термораспылителя и помещали передний торец зонда в зону на оси факела, отстоящую от среза сопла на 5...8 мм. Затем фиксировали через каждые три-пять секунд измеряемую
температуру до 1000 °С и определяли скорость нарастания температуры. Используя полученную величину,
определяли плотность теплового потока по известной формуле:
Ф = ρcL
где
dT
,
dτ
dT
- скорость роста температуры, ρ, c, L - соответственно, удельная масса, удельная теплоемкость материаdτ
ла зонда и его длина. Далее определили параметр теплопередачи: q = Ф/∆Т, где ∆Т - разница между температурой пламени и температурой плавления материала проволоки. Величина параметра теплопередачи для термораспылителя "ТЕРКО" составила 53 кДж⋅мм/см2⋅град. Время, затраченное на измерения и расчеты, составило
около 12 мин. Далее, используя выражение, приведенное в формуле изобретения, определили оптимальную
скорость подачи проволок и занесли данные в табл. 1.
Для определения скорости подачи проволоки по прототипу были проведены экспериментальные исследования, включающие изменение скорости подачи от 18 до 36 мм/с для стали и от 80 до 120 мм/с для алюминия с изготовлением образцов покрытий через каждые 4 мм/с для экспресс-анализа пористости и прочности сцепления. Определение оптимальной скорости подачи проволоки из каждого материала составило
около 4 ч. В табл. 1 приведены теплофизические характеристики проволок, скорости их подачи и время, затраченное при использовании заявляемого способа и прототипа.
Таблица 1
Материал
проволоки
Температура плавления проволоки, °С
Удельная
теплоемкость
материала,
Дж/кг⋅град
Удельная
теплота
плавления
материала,
Дж/кг
Скорость
подачи
проволоки,
мм/с
Заявляемый
способ
Прототип
Затраченное
время на
определение
скорости
подачи, мин
Пористость
покрытий, %
Заявляе- Протомый
тип
способ
Заявляе- Протомый
тип
способ
Прочность
сцепления,
МПа
Заявляемый
способ
Прототип
Сталь
20×13
1500
880
20⋅104
25
27
12
240
8-10
8-10
28-33
29-34
Алюминий
АО
660
500
38⋅104
95
100
3
240
1
1
20-21
20-22
Анализ приведенных в табл. 1 результатов показывает, что для выбора режимов напыления стали, обеспечивающих получение качественных покрытий, было затрачено времени по заявляемому способу в 20 раз
меньше, чем по прототипу. Причем для алюминия уже не надо было проводить никаких измерений, по-
3
BY 4731 C1
скольку теплофизические параметры установки были уже определены. Кроме того, при определении скорости подачи проволоки по прототипу было затрачено 4,5 м3 пропана и 18 м3 кислорода.
2. Серийно выпускаемый ацетилено-кислородный проволочный аппарат марки МГИ-4А (ГОСТ 1196678) был переоснащен сопловым наконечником типа МII-Р (Германия), что позволило повысить расходы рабочих газов, мощность факела и производительность установки. Для определения скорости подачи проволок
диаметром 3 мм из цинка, латуни и алюминия были найдены по описанной в примере 1 методике теплофизические параметры факела. Расчетным путем были определены оптимальные скорости, после чего для
сравнения были выполнены по стандартной процедуре (по прототипу) экспериментальные исследования, позволившие также определить значения скоростей. Результаты приведены в табл. 2.
Таблица 2
Напыляемый
материал
Цинк
Алюминий
Латунь
Скорость, мм/с
Заявляемый
способ
100
58
46
Прототип
96
60
49
Затраченное время,
мин
Заявляемый
способ
14
4
4
Прототип
160
160
160
Стоимость затраченных материалов и электроэнергии,
долл. США
Заявляемый
Прототип
способ
3,2
27,0
1,0
19,5
1,0
16,0
Определение скорости по прототипу занимает в 6-10 раз больше времени, чем по заявляемому способу,
во много раз больше расходуется материалов и электроэнергии.
Таким образом, предложенный способ газопламенного напыления покрытий из проволочных материалов
существенно отличается от известного, позволяет упростить его реализацию и значительно снизить материальные затраты, а также расширить диапазон использования, поскольку он применим при любой модернизации газопламенных установок и для любых горючих смесей.
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.
4
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
179 Кб
Теги
патент, 04731
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа