CS213752B1 - Způsob zvýšení životnosti kovových povrchů oproti opotřebení strojních součástí pomocí částic a zařízení k jeho provádění - Google Patents

Description

Vynález se týká způsobu zvýšení životnosti kovových povrchů součástí, které jsou vystaveny značnému mechanickému opotřebení, které může probíhat i za vysokých teplot, nebo i v agresivním prostředí a zařízení k jeho provádění. Jednou z kategorií výše uvedených součástí, kde je žádoucí zvýšení životnosti jsou součásti spalovacích motorů, kompresorů, spalovacích turbín, jako např. vložky válců, písty, pístní kroužky, vahadla ventilů, lopatky turbín, membrány apoď.

Dosud známé metody, které vedou ke zvýšení životnosti součástí jsou zaměřeny na nanášení vrstev na bázi kovové, kovokeramioké a keramické, na základní materiál součástí.

Jedna z těchto metod je předmětem britského patentu č. 1 456 504, kdy jsou mechanicky nanášeny krystaly karbidu křemíku - beta na povrch součástí. Nejčastější aplikace je při výrobě vložek váloů spalovacích motorů, kdy do stěny válcových děr jsou vtlačována zrna karbidu křemíku - beta, použitím honovací hlavy a pružně uloženými litinovými kameny. Tato speciální honovací hlava koná rotačně vratný pohyb, čímž jsou vytvořeny drážky ve stane rálcové díry tvořící křížovou mřížku se zaříznutými krystaly karbidu křemíku - beta v dráž:ách. Ostré vrcholky zrn jsou další honovací operací odstraněny při použití zrn karbidu íemíku - beta jemnější zrnitosti. Tím jsou vytvořeny nosné plošky na zaříznutých zrnech, '.ezery mezi zrny zaručují stálou mazací schopnost. Nakonec je válcová díra vyleštěna a řádě vypláchnuta, aby slabě zakotvená zrna byla vyplavena.

752

213 752

Nevýhoda této metody spočívá v nerovnoměrném zakotvení zrn v základním materiálu, oož může mít za následek jejich samovolné uvolňování při skutečných pracovních podmínkách. Volná zrna mohou způsobit značné opotřebení nebo dokonce zadření vzájemně po sobě troucích se ploch.

Další známou metodou, která má za-účel zvýšit životnost součástí oproti opotřebení je metoda tepelného stříkání plazmatu, která se používá k vytváření povrchových vrstev se speciálními vlastnostmi. Nanášené materiály mohou být na bázi kovové, kovokeramické a keramické. Tlouštka stříkané vrstvy se pohybuje obvykle v rozmezích 0,075 - 0,50 mm. Spojení stříkané vrstvy se základním materiálem je mechanické, které může být v některých případech do-, plněno místy mikrosvaiy. Dále se uplatňují síly Van der Waalsovy a valenční. Přídavný materiál je přiváděn do proudu plazmatu, kde se ohřívá na teploty bodu tavení. Současně je urychlen dynamickým účinkem proudu plazmatu a vržen na povrch základního materiálu. Plazmové stříkání se používá hlavně k nanášení vrstev, které se jinými metodami nedají vytvořit. Jedná se o vrstvy poskytující ochranu proti vysokým teplotám, vrstvy elektricky izolační, kluzné vrstvy apod.

Nedostatky známého stavu odstraňuje postup a zařízení podle vynálezu. Podstata způsobu zvýšení životnosti kovových povrchů oproti opotřebení u strojních součástí pomocí částic na bázi kovové nebo keramickokovové, případně keramické, nanášených plazmovým stříkáním na povrch základního kovového materiálu, jež jsou zakotveny ve vytvořených rýhách a po následném opracování vytvářejí nosnou plochu, v jejímž zbývajícím povrchu mezi částicemi se zadržuje mazací médium, podle vynálezu spočívá v tom, že po jemném opracování a odmaštění, případně aktivaci povrchu strojní součásti se strojní součást uvede do relativního pohybu, např. posuvného a nebo rotačního, při kterém se na její funkční povrch plazmovým hořákem skloněným pod úhlem οΟό 45° až 90° a za teploty pod mezí strukturálních změn základního materiálu stříkají buď kovové, nebo keramickokovové, případně keramické částice, kupříkladu částicekarbidu křemíku (Sic) tak, aby zaujímaly max. 60 % z celkové nosné plochy na funkčním povrchu kovové strojní součásti, jenž se poté opracuje honováním, leštěním a výplachem. Ve výhodném provedení postupu podle vynálezu se částice vedou proti nastřikované ploše plazmovým hořákem ze vzdálenosti 10-300 mm a rychlostí 60 až 300 m s“' v trajekt toriích vytvářejících na povrchu strojní součásti šroubovice.

Podle dalšího výhodného provedení se plazmovým hořákem působí na celý povrch rotačních součástí s přesahem tak, že na okrajích vzniknou prodloužení dráhy, načež pohyb plazmového hořáku se zastaví a v této prodlevě se rotační součásti otočí dokola o 180°.

U zařízení k provádění způsobu zvýšení životnosti kovových povrchů oproti opotřebení strojních součástí pomooí částic sestávající z plazmového generátoru a hořáku, jehož katoda je zapojena na záporný pól a anoda na kladný pól zdroje stejnosměrného proudu·a opatřeného plazmovým hořákem je podstatou to, že katoda i anoda jsou uspořádány souose a hořák připojený na přívod plazmového plynu, přičemž u ústí plazmového hořáku je komůrka vytvářející zónu rozptylu přídavného materiálu.

Po plazmovém nástřiku na plochu základního materiálu následuje pak její opracování} honování diamantovými kameny a leštění. Vytvoří se tak nosné plochy, které vzniknou odstra ^J . . 213 752 nením ostrých špiček ukotvených částeček keramického materiálu i základního kovového materiálů. Drsnost opracování bývá např. u vložek válců Ra 0,6-0,8.

Nanášením keramických částic (např. SiC) plazmovým stříkáním, se docílí rovnoměrného rozptylu částic na povrchu základního kovového materiálu a rovněž tak pevnějšího ukotvení keramických částic. Výsledkem je několikanásobné zvýšení životnosti plochy, na kterou byly keramické částice naneseny plazmovým stříkáním.

Hlavními výhodami vynálezu jsou:

Až několikanásobné zvýšení životnosti součástí, V důsledku zvýšení životnosti jsou značné úspory materiálu, které jsou přímo úměrné zvýšení životnosti. Tím, že nosnou plochou jsou keramické částice, lze použít méně hodnotného základního materiálu, což rovněž vede k úsporám materiálu.

V důsledku zvýšení životnosti součástí je možné vykázat úspory pracnosti, jednak ve vlastní výrobě a jednak v opravnách strojů a zařízení, kde se vyskytují součásti s takto upravenými plochami. V důsledku zvýšení životnósti, úspor materiálu, Ú3por pracnosti, jsou tímto umocněny úspory energií.

Na přiložených výkresech je znázorněno:

na obr. 1 je schematicky znázorněno uspořádání reakční plazmové zóny plazmového hořáku; na obr. 2 je znázorněn způsob plazmového stříkání keramických částic na vnitřní válcovou plochu, kdy rozměry plazmového hořáku jsou větší než samotný vnitřní průměr válce;

na obr. 3 je další příklad plazmového stříkání keramických částic na vnitřní válcovou plochu díry, kam je možno vsunout plazmový hořák;

na obr. 4 je další příklad použití, kdy je možno provést plasmový nástřik keramických částic na vnější válcovou plochu.

Na obr. 1 je znázorněno uspořádání reakční plazmové zóny plazmového hořáku. Katoda £ je zapojena na záporný pól a anoda X je zapojena na kladný pól zdroje stejnosměrného proulu 10. Komora plazmového hořáku 12 je opatřena přívodem 2 plazmového plynu, přičemž katoda a anoda χ jsou uspořádány souose. U ústí 8 anody X je komůrka vytvářející zónu £ rozptyu přídavného materiálu £. Osa přívodu přídavného materiálu £ neprotíná společnou osu anoγ χ a katody £, ale je polohována tangenciálně k obvodu komůrky zóny £.

Následující popis se týká obr. 2, kde je schematicky znázorněno plazmové stříkání kevmických částic (SiC) na stěny válcových děr a vložky válců, kdy délka plazmového hořáku je větší než průměr díry £ vložky válců. Plazmový hořák 11 je umístěn mimo vložku válců nak ve vzdálenosti V a osa hořáku 11 je vůči ose a stěně vložky pod úhlem alfa, který je irykle větší než 45°, Ústí 8 plazmového hořáku 11 koná pohyb TZ, rovnoběžný s osou vložky Leů, při dráze Z, která se rovná délce L* (resp. L). Při procesu plazmového stříkání zrn 'bidu křemíku vložka válců rotuje kolem svá osy otáčkami N, které jsou závislé na rychti zrn karbidu křemíku.

Případ, kdy vnitřní průměr vložky váloů D je dostatečně veliký, tak aby umožnil průi plazmového hořáku 11 délky DH. je zobrazen na obr. 3.

Plazmový hořák 11 je umístěn uvnitř vložky válců 6, a koná pohyb TZ ve směru osy vlož-

213 752 ky válců 6 po dráze Z, zatímco vložka váloů 6 rotuje kolem své osy otáčkami N, které jsou závislé na rychlosti zrn karbidu křemíku a vzdálenosti SV ústí 8 plazmového hořáku 11 od steny vložky válců 6. Proces plazmového stříkání probíhá při pohybu TZ ústí 8 plazmového hořáku 11 ve směru osy vložky válců 6 a to nahoru i dolů, přičemž v dolní úvrati DO i horní úvrati HU je dráha plazmového hořáku 11 prodloužena o dráhu P, která je závislá na pootočení vložky válců o 180°.

V tomto případě stejně jako v předchozím je dosaženo rovnoměrného rozptylu zrn karbidu křemíku a jejioh ukotvení v základním materiálu vložky válců 6. tak, že zrna karbidu křemíku zaujímají až 60 % povrchu základního materiálu.

Plazmové stříkání karbidu křemíku za účelem dosažení rovnoměrného rozptýlení zrn na povrchu základního materiálu lze aplikovat i na vnější válcové plochy (např. písty). Tento způsob je znázorněn na obr. 4»

Proces plazmového stříkání zrn karbidu křemíku je obdobný jako ve dvou^ďdříve popsaných případech. Válcová plocha rotuje kolem své osy otáčkami N, zatímco plazmový hořák 11 ve vzdálenosti χ od základního kovového materiálu 6 koná. přímočarý vratný pohyb o délce dráhy Z, Přejezdy resp. prodloužení dráhy P jsou závislé na otáčkách N.

Příkladné provádění způsobu zvýšení životnosti kovových povrchů oproti opotřebení strojních součástí pomocí částic na bázi kovové nebo keramické, případně keramiokokovové, kteréžto částice se nanášejí plazmovým stříkáním ha povrch základního kovového materiálu, jež jsou tak zakotveny.ve-dříve vytvořených rýhách a po následném opracování jako kupř. honování, leštění a výplaohu, omytí, oplaehu apod. se vytvoří nosná plocha v jejímž zbývajícím povrchu mezi částicemi se pak zadržuje mazací médium, se podle vynálezu provádí tak, že po jemném opracování a odmaštění funkčního povrchu strojní součásti, případně její akti vaci se strojní součást uvede do relativního pohybu, např. posuvného nebo rotačního, (což záleží na charakteru nebo účelu funkčního povrchu předmětné strojní součásti - rovná dosedací plocha jako, kupř. lože soustruhu se uvede do posuvného' pohybů, zatímco válcová plocha, kupř. vložka váloů do zážehových nebo vznětových motorů do rotačního pohybu). Při tom to relativním pohybu se na funkční povrch plazmovým hořákem pod úhlem <t> 45° až 90° a za teploty pod mezí strukturálních změn základního kovového materiálu strojní součásti stříkají kovové částice, případně keramické částice a nebo keramickokovové částice výhodně kar bídu křemíku (SiC) tak dlouho, aby po ulpění na funkčním povrohu, tj. třecím povrohu zaujímaly max. 60 % z celkové nosné plochy na funkčním povrchu kovové strojní součásti. Nakonec se funkční povrch kovové strojní součásti opracuje honováním a leštěním s následným oplachem, výplaohem nebo omytím, aby neulpělé částice nezapříčinily zadření dosedajících po vrchů součástí.

Podle vynálezu je výhodné, když se kovové, příp. keramické anebo keramickokovové částice vedou proti nastřikované nosné nebo funkční ploše, kupř. třecí ploše na loži soustruhu plazmovým hořákem ze vzdálenosti 10 až 300 mm rychlostí 60 až 300 mm e**^ v trajektoriíc tak, aby dopadající částice vytvářely na funkčním povrchu kovové strojní součásti šrouboví ce.

Při uplatnění uvedeného způsobu zvýšení životnosti u válcové strojní součásti jako na

213 752 př. vložek válců či pístů se plazmovým hořákem působí na celý funkční povrch strojní součásti s přesahem tak, že na okrajích vzniknou prodloužené dráhy P, načež pohyb plazmového ho hořáku se zastaví a v této prodlevě se strojní součást pootočí dokola o 180°, načež se může pokračovat ve zpětném pohybu do výchozí polohy.

Následují příklady možného způsobu přívodu materiálu do plazmové zóny

Příklad 1

Pro plazmové stříkání částeček keramických materiálů (SiC) je použit plazmový generátor na stejnosměrný proud a zapojení plazmového hořáku 11 je nezávislé.

Ze zdroje JO stejnosměrného proudu je provedeno zapojení na katodu £ a ústi plazmového hořáku 8 má zapojenu anodu 2· Elektrické výboje v plazmovém plynu, kterým může být směs argonu (dusíku) a vodíku vytvářejí plazmu £. Vzniklá plazma £ prochází přes zónu rozptylu přídavného materiálu 2. (např. prášku SiC), kam je tento přiváděn.

Příklad 2

V trubičce z termosetického polymeru (polyvinylchlorid), který musí mít tu vlastnost, že při teplotách 1350 - 1550 °C uvolňuje aromatické plyny a zbytek je čistý uhlík, který reaguje s karbidem křemíku a mění, jeho specifickou hmotnost. Hmotnostní poměr polymeru a karbidu křemíku zrnitosti až 80 ^m ae může pohybovat v rozmezí 70-83 % hmotnostních dílů SiC a 30 - 17 % hmotnostních dílů termosetického polymeru.

Stejného hmotnostního poměru lze použít pro vytvoření granulí, které by byly převáděny do plazmového hořáku 11.

Příklad 3

Přídavný materiál je přiváděn trubičkou ústící v zóně rozptylu a to tak, že osa trubičky přívodu 2. neprotíná společnou osu katody £ a anody 2, ale je polohována tangenciálně k zóně rozptylu 2.» která je válcového tvaru. Tím se vytváří v zóně rozptylu 2 vír přídavného materiálu 2.» který je ztrháván proudem plazmového plynu vycházejícího z plazmové zóny do ústí 8.

Popsaný způsob plazmového stříkání keramických částí (např. SiC), lze použít pro stři· kání částic na čistě kovové, keramickokovové nebo keramické bázi, kdy je žádoucí dosažení rovnoměrného rozptylu stříkaných částic na povrchu základního materiálu a jejich dokonalé zakotvení za účelem zvýšení životnosti součástí.

Široká oblast použití je jak v civilní, tak i speciální technice.

Claims (4)

PŘEDMĚT VYNÁLEZU

1. Způsob zvýšení životnosti kovových povrchů oproti opotřebení strojních součástí po· mocí částic na bázi kovové, nebo keramické, případně keramickokovové, nanášených plazmovým

213 752 stříkáním do vrstvy na povrchu základního kovového materiálu, jež jsou zakotveny ve vytvořených. rýhách a po následném opracování vytvářejí nosnou plochu, v jejímž zbývajícím povrchu mezi částicemi se zadržuje mazací médium, vyznačující se tím, že po jemném opracování a odmaštění, případně aktivaci povrchu strojní součásti se tato uvede do relativního pohybu, například posuvného nebo rotačního, při kterém se na její funkční povrch plazmovým hořákem pod úhlem 4= 45° až 90° a za teploty pod mezí strukturálních změn základního kovového materiálu stříkají kovové, nebo keramické, případně keramickokovové částice, kupříkladu karbidu křemíku SIC tak, aby zaujímaly maximálně 60 % z celkové nosné plochy na funkčním povrchu kovové strojní součásti, jenž se poté opracuje honováním, leštěním a výplachem,

2. Způsob podle bodu 1, vyznačující se tím, že částice se vedou proti nastřikované nosné ploše plazmovým hořákem ze vzdálenosti 10 až 300 mm rychlostí 60 až 300 m s^-^ v trajektorijích vytvářejících na funkčním povrchu kovové strojní součásti šroubovice.

3. Způsob podle bodu 1 a 2, vyznačující se tím, že plazmovým hořákem se působí na celý funkční povroh strojní součásti s přesahem tak, že na okrajích vzniknou prodloužení dráhy, načež pohyb plazmového hořáku se zastaví a v této prodlevě se strojní součásti pootočí dokola o 180°.

4. Zařízení k provádění způsobu podle bodů 1 až 3, sestávající z plazmového generátoru a hořáku, jehož katoda je zapojena na záporný pól a anoda na kladný pól zdroje stejnosměrného proudu připojeného přímo na plazmový hořák, vyznačující se tím, že katoda (4) i anoda (5) jsou uspořádány souose a do komory hořáku (11) ústí přívod (2) plazmového plynu, přičemž u ústí (8) plazmového hořáku (11) je komůrka vytvářející zónu (9) rozptylu přídavného materiálu (3).