ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ ХОЛОДНОГО НАПЫЛЕНИЯ И МИКРОДУГОВОГО ОКСИДИРОВАНИЯ ДЛЯ РЕМОНТА И ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ЭЛЕКТРОПРИВОДНЫХ ЩИТОВ ДВИГАТЕЛЕЙ

APPLICATION OF METHODS OF COLD SPRAYING AND MICRO-ARC OXIDATION FOR REPAIR AND IMPROVEMENT OF WEAR RESISTANCE OF ELECTRIC MOTOR SHIELDS

Rasim Tukhvatullin

student, Department of Electrical Stations and Substations, Kazan State Power Engineering University.

Russia, Kazan

Fanis Iksanov

student, Department of Electrical Stations and Substations, Kazan State Power Engineering University.

Russia, Kazan

Igor Maslov

scientific supervisor, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Kazan State Power Engineering University,

Russia, Kazan

АННОТАЦИЯ

Надежность является одним из важнейших требований к электродвигателям. Подшипниковый узел является распространенным источником отказа для большинства электродвигателей. Одной из основных причин таких отказов является износ посадочного места подшипника торцевого щитка. В данной работе представлена комбинированная технология повышения долговечности отверстий подшипниковых щитов электродвигателей из алюминиевых сплавов. Технологическая концепция заключается в том, что изношенное торцевое отверстие щита, во-первых, восстанавливается сверхзвуковым газодинамическим напылением, а во-вторых, с целью улучшения противоизносных свойств усиливается микродуговым оксидированием. Изучена адгезия покрытий, оценена износостойкость формируемых покрытий. На основании выполненных исследований можно предположить, что срок службы подшипникового узла электродвигателя, восстановленного газодинамическим напылением по новой технологии микродугового окисления в реальных условиях эксплуатации, увеличится в среднем в 3–4 раза. Разработанная технология рекомендована для ремонта, технического обслуживания или других технических услуг, связанных с восстановлением и закалкой изношенных деталей.

ABSTRACT

Reliability is one of the most important requirements for electric motors. The bearing assembly is a common source of failure for most electric motors. One of the main reasons for such failures is the wear of the bearing seat of the end shield. This paper presents a combined technology to increase the durability of the holes of the bearing shields of electric motors made of aluminum alloys. The technological concept is that the worn-out end hole of the shield, firstly, is restored by supersonic gas-dynamic spraying, and secondly, in order to improve anti-wear properties, it is enhanced by micro-arc oxidation. The adhesion of coatings was studied, the wear resistance of the formed coatings was evaluated. Based on the studies performed, it can be assumed that the service life of the bearing assembly of the electric motor, restored by gas-dynamic spraying using the new microarc oxidation technology in real operating conditions, will increase by an average of 3-4 times. The developed technology is recommended for repair, maintenance or other technical services related to the restoration and hardening of worn parts.

Ключевые слова: газодинамическое напыление, микродуговое окисление, технологии, электродвигатель.

Keywords: gas-dynamic spraying, micro-arc oxidation, technologies, electric motor.

Развитие энергетики и ряда отраслей промышленности в современном мире резко увеличило нагрузки на различное оборудование. Изменились требования к эксплуатации, особенно для электрических систем и оборудования. Некоторые аспекты эксплуатации силового и электрического оборудования стали привлекать все большее внимание. Одним из них является надежность.

Надежность является основополагающим требованием к электрическим силовым установкам. Для большинства электродвигателей подшипниковый узел является вторым по значимости источником выхода из строя (после обмотки). Одной из основных причин такого выхода из строя является износ посадочного места подшипника торцевого щита, который возникает из-за фреттинговой коррозии и последующего вращения колец подшипников.

В настоящее время посадочные места подшипников щита электродвигателей восстанавливаются полимерными материалами, методом термического напыления, запрессовки ремонтных втулок.

Обнинский центр порошкового напыления разработал принципиально новый метод восстановления этих деталей методом сверхзвукового газодинамического напыления, обладающий такими основными преимуществами, как экологичность, простота, возможность формирования покрытий в несколько миллиметров, высокая адгезия напыляемых покрытий к основанию (40–80 МПа) [1].

На физико-механические свойства покрытий, формируемых методом холодного газодинамического напыления, существенное влияние оказывает давление воздуха, который служит транспортирующим газом наносимого порошкового материала. В работах многих исследователей отмечается, что качество формируемых покрытий (адгезионная прочность и плотность) может быть улучшено за счет увеличения скорости распыляемых частиц. Тип газа, температура и давление, а также сопло контролируют скорость частиц. Хорошо известно, что более высокое давление газа, более высокая температура газа или более низкая молекулярная масса газа вызывают более высокую скорость распыляемых частиц. В этом случае скорость распыляемых частиц может быть увеличена за счет увеличения давления.

Повышение температуры нагрева газа-носителя при холодном напылении приводит к снижению адгезионной прочности формируемых покрытий.

Для формирования покрытий методом газодинамического напыления используются порошковые смеси на основе мягких металлов, например, алюминия или меди. Преимущество алюминия заключается в хорошей пластичности, что позволяет легко использовать алюминиевый порошок для газодинамического напыления, а также высокая коррозионная стойкость, низкая стоимость и доступность на рынке. Эти преимущества позволяют выбрать алюминий в качестве связующего покрытия для синтеза защитного покрытия. Однако конечные покрытия из таких материалов обладают низкой прочностью и износостойкостью. В результате срок службы деталей, восстановленных газодинамическим напылением, как правило, ниже, чем у новых деталей. Для устранения этих недостатков предложена комбинированная технология восстановления и упрочнения группы деталей. Основной факт заключается в том, что изношенный концевой канал ствола сначала восстанавливается сверхзвуковым газодинамическим напылением, а затем, с целью улучшения противоизносных свойств, усиливается микродуговым окислением (МАО).

Технология МАО имеет существенные преимущества перед большинством других методов обработки поверхности алюминиевых сплавов:

− нетоксичен и экологичен;

− позволяет наносить покрытия на изделия любой конфигурации;

− не требует специальной предварительной подготовки, чистки или стирки;

− сохраняет форму и габариты детали при формировании покрытия;

− проводится при низких температурах, что не приводит к деформации изделий [2].

В то же время покрытия МАО обладают выдающимися свойствами, такими как высокая твердость, износостойкость, коррозионная стойкость, термостойкость, а также высокая адгезионная и когезионная прочность.

Комбинированные технологии, включающие восстановление изношенных рабочих поверхностей деталей различными методами с последующей упрочняющей обработкой их наружного слоя, позволяют повысить долговечность подвижных соединений; поэтому в последнее время все больше внимания уделяется различным подходам к реализации этих технологий и их возможностям.

Газодинамическое напыление (ГДС) выполнялось на системе нанесения покрытий на металл ДИМЕТ- 403 с использованием алюминиевой пудры А-80-13, состоящей из алюминия и содержащей технологическую добавку цинка, препятствующую осаждению материала внутри сопла. Покрытия наносились при температуре 200–600 °С и давлении 0,5–0,9 МПа.

Комплект распылительного оборудования состоял из следующих основных частей:

− блок контроля и управления объединил в своем корпусе элементы питания краскопульта, систему контроля температуры воздуха, систему электропитания, контроль расхода порошка питателей ПВ-43, переключатель порошкового тракта, коммутационные элементы.

− опрыскиватель ДМ-43 состоял из сверхзвукового сопла, который непосредственно соединялся с блоком подогрева воздуха. Сверхзвуковое сопло является основным элементом, обеспечивающим разгон частиц до высоких скоростей, приводящих к образованию покрытия. Внутренние плоскости сопла, которые являются наиболее подверженными износу в процессе эксплуатации, выполнены в виде сменных форсунок, которые позволяют легко восстанавливать характеристики сопла при его износе.

− блок подогрева воздуха в распылителе обеспечивает нагрев и стабилизацию температуры газа-носителя на входе в форсунку, что позволяет увеличить расход при сохранении конфигурации форсунки.

− устройство подачи пороха представляет собой автономный блок, обеспечивающий равномерное дозированное движение загруженного в него порошка в воздушный поток сверхзвукового сопла. Работа данного агрегата основана на вибрационном методе создания текучести порошковых материалов [3].

Для МАО использовались следующие химические реагенты: гидроксид калия (ГОСТ 24363 ред.1) и жидкое стекло (ГОСТ 130078) с модулем m = 3,0 и плотностью ρ = 1,47 г/см³.

Образцы окислялись в аппаратуре для процесса микродугового окисления, представляющей собой источник тока, один выход которого был присоединен к детали, помещенной в электролит (анод), а другой был присоединен к рабочей ванне, заполненной электролитом (катодом). Для поддержания температуры электролита в необходимом диапазоне использовалась система охлаждения.

Адгезию напыляемого слоя определяли штифтовым методом, оценивающим разрывное усилие при вытягивании штифта в направлении, нормальном его торцевой поверхности, на которую было нанесено покрытие (ГОСТ 9.304). Унифицированная система защиты от коррозии и старения. Покрытия с термическим напылением. В качестве ограничения использования этого метода можно отметить, что он действителен только в том случае, если покрытие полностью отсоединено от штифта.

Образец состоял из штифта и шайбы с захватным устройством, используемым в качестве отверстия для расщепления, чтобы иметь взаимосвязь со слоем покрытия во время распыления. Цилиндрическая поверхность соединяемых деталей диаметром 4 мм выполнялась на скользящей посадке. Образец был изготовлен из алюминиевого сплава.

В устройство устанавливался узел штифта и шайбы для фиксации образца, а рабочая поверхность шлифовали. Испытание образца проводилось на универсальной машине для испытания на растяжение РМ-1000 (ООО «ЭЦНК», Единый центр неразрушающего контроля, Москва, Россия).

Сравнительный анализ износостойкости поверхности образца проводился с граничной смазкой (по ГОСТ 23.224-86) на машине трения МТУ-01 (ТУ 4271-001-29034600-2004). В качестве эталона были приняты алюминиевые сплавы АК12, АК7ч и G-AlSi12, а также напыляемое покрытие без упрочнения МАО.

После фиксации постоянного значения момента трения и обкатки площади контакта пары трения не менее 90% нагрузка увеличивалась до расчетного уровня 1,5 МПа через интервалы 0,25 МПа.

Износ образцов и контрорганов оценивали гравиметрическим методом с использованием шкал ВЛА-200 по ТУ 25.06-383-74.

Значения износа регистрировались каждые 2 часа испытаний, при этом каждая пара трения испытывалась в течение 20 часов.

Контроль материалов и агентов, используемых для осаждения, осуществлялся методами ядерного магнитного резонанса (ЯМР), преломления и атомно-лучевой спектроскопии. Эти методы позволили получить однозначные данные о материалах без изменения их физической структуры и химического состава. Для измерений использовалось следующее оборудование: ЯМР-спектрометр «X-PULSE» (компания «Oxford Instruments», г. Оксфордшир, Великобритания), стационарный рефрактометр Аббе «НАР-2Т UH» (фирма «ATAGO», г. Токио, Япония), WDXRF-спектрометр «S8 TIGER Series 2» (фирма «Bruker», г. Бремен, Германия) [4].

Изменение линейных размеров образцов при осаждении и микродуговом окислении контролировали с помощью рычажного микрометра МП-25, в соответствии со стандартом ГОСТ 4381. Точность измерения составила ±2 мкм. Толщину слоя закаленного покрытия также измеряли на срезе образца с помощью металлографического микроскопа EC METAM PB-21. Погрешность измерения составила не более 1,5 мкм

Микротвердость покрытий измеряли на приборе ПМТ-3М по ГОСТ 9450.

Для выбора эффективных режимов работы оборудования изучали адгезию (Связь между поверхностями двух соприкасающихся тел, обуславливающие их прилипание друг к другу) покрытия и проводили сравнительные испытания на износ.

В зависимости от давления воздуха результаты анализа адгезии напыляемых покрытий, полученные на алюминиевом сплаве АК7ч, показали, что наилучшая адгезия напыляемого материала к основанию (65 МПа) достигается при давлении воздуха 0,9 МПа. Однако в этом режиме агрегат может работать лишь кратковременно и нестабильно; следовательно, лучше всего иметь давление воздуха 0,7 МПа в блоке распыления. При этом адгезия напыляемого материала к основанию составила 58–62 МПа.

При анализе адгезии напыляемых покрытий по отношению к температуре нагрева воздуха в блоке напыления установлено, что повышение температуры снижает прочность сцепления. Это происходит, если повышение температуры воздуха приводит к увеличению термодинамической активности распыляемых частиц. Следовательно, на поверхности будут закреплены не только частицы с достаточной кинетической энергией, но и частицы с более низкой кинетической энергией и более высокой температурой. Это повышает эффективность использования напыляемого материала с уменьшением адгезии покрытия.

 Максимальное значение адгезии соответствовало температурному режиму, который приводил к нагреву воздуха в блоке напыления примерно при 200 °С. Однако в ходе исследования было выявлено, что в таком температурном режиме наблюдалась низкая эффективность осаждения (4–8%). Когда температура воздуха в блоке распыления достигала 400 °C, коэффициент использования порошка достигал 12–15%. Поэтому оптимальным температурным режимом было около 400 °С.

Результаты полученных данных свидетельствуют о том, что взаимодействие твердой частицы с основанием, возникающее при газодинамическом напылении, зависит не только от температуры нагрева и давления воздуха в блоке распыления, но и от размера распыляемой частицы или фракций. Для любой скорости частицы существует размер, когда она отскакивает от подложки, даже если при контакте образуется максимально возможное количество связей.

Таким образом, открытие показало, что при взаимодействии частицы и основания энергия упругого сжатия и энергия адгезии имеют одинаковые значения и, следовательно, энергия упругого сжатия играет решающую роль в распылении твердых частиц. Следовательно, для уменьшения эффекта упругого отскока частицы необходимо было иметь достаточно мелкие частицы.

Характерный фазовый состав керамических покрытий определяется фазой муллита и корунда. Существует также SiO₂ соединения на поверхности покрытий. При МАО в силикатно-щелочном электролите на поверхности алюминиевой основы образовывались композиционные покрытия со сложным фазовым составом, в которых оксид α-Al₂O₃ (корунд) выступал в качестве упрочняющей фазы, обеспечивая высокую микротвердость покрытия.

Исследование износа сравниваемых пар трения показало, что износ имеет различные значения в зависимости от материала пары трения. Испытаны на износ пары трения с низшими образцами следующего состава: алюминиевые сплавы (АК12, АК7ч, G-AlSi12); алюминиевый сплав (АК7ч) с покрытием, образованным газодинамическим напылением (порошок А-80-13); и алюминиевый сплав (АК7ч) с покрытием, образованным газодинамическим напылением (порошок А-80-13) с последующей обработкой МАО в течение 20ч.

Скорость износа покрытий, образованных газодинамическим напылением на алюминиевые сплавы из порошка А-80-13 с последующим упрочнением МАО, составила 0,0062 г/ч. Степень износа финишного покрытия была в несколько раз ниже, чем у сплавов, взятых за эталон: сплава АК12 — в 5,13 раза, сплава АК7ч — в 6,41 раза, сплава G-AlSi12 — в 5,67 раза, а покрытия, полученного методом газодинамического напыления, — в 7,68 раза.

Разработанная технология включала в себя следующие основные операции: механическую обработку деталей для удаления следов износа, абразивоструйную обработку, газодинамическое напыление, расточку, МАО, промывку, сушку и чистовую обработку.

Алюминиевые поверхности буровых экранов электродвигателей обычно не требуют специальной подготовки перед газодинамическим напылением. Однако пескоструйная (пескоструйная) подготовка поверхности к напылению повышает адгезионную прочность покрытия к основанию. Она может быть выполнена на оборудовании для газодинамического напыления, например, с использованием К-00-04-16, другого абразивного порошка или песка. При этом размер частиц порошка не должен превышать 0,2 мм.

Для сверхзвукового газодинамического напыления порошковых материалов на поверхность монтажных отверстий была использована коммерческая система газодинамического напыления «ДИМЕТ-403». В качестве порошкового материала целесообразно использовать А-80-13, рекомендуемый для восстановления щитов из алюминиевых сплавов.

Следует отметить, что применение газодинамического напыления позволяет компенсировать износ деталей до нескольких миллиметров с каждой стороны (2–4 мм). В этом случае порошок наносился на поверхность детали без какого-либо связующего покрытия.

В связи с тем, что МАО обеспечивает образование закаленного слоя не только внутрь, но и наружу, увеличивая линейные размеры детали (с образованием наружного рыхлого слоя), упрочнение щитов следует проводить с учетом на чистовую обработку (не менее 0,05... 0,07 мм с каждой стороны).

Следует отметить, что увеличение толщины наружного рыхлого слоя происходило за счет содержащихся в электролите компонентов метасиликата натрия (катионов SiO), которые под действием микродуговых разрядов включались в покрытие.

Для удаления наружного рыхлого слоя покрытия после МАО (финишной механической обработки) рекомендуется использовать эластичный абразивный инструмент, состоящий из лепестков абразивной бумаги, закрепленных между двумя дисками. После окончания механической обработки покрытия толщина закаленного слоя должна быть не менее 0,12... 0.14 мм. Указанные значения хорошо согласовывались с данными различных исследователей, которые рекомендуют поддерживать толщину упрочненного слоя в пределах 0,5... 0,1 мм для обеспечения высокой износостойкости покрытий [5].

Проанализирована зависимость адгезии алюминиевых покрытий в процессе газодинамического напыления композиционных алюминиевых порошков от давления и температуры газового потока, а также от фракционного состава порошков; Рекомендованы оптимальные технологические параметры.

Рекомендованы рациональные режимы формирования закаленных керамических покрытий для восстановления алюминиевых изделий, применяемых в машиностроении.

На основании трибологических испытаний практически показано, что упрочнение алюминиевых покрытий методом МАО позволяет значительно повысить их износостойкость.

Исходя из вышеизложенных исследований, можно предположить, что срок службы подшипникового узла электродвигателей, восстановленного газодинамическим напылением по новой технологии МАО, может быть значительно увеличен в реальных условиях эксплуатации. Разработанная технология рекомендована для внедрения в ремонт, техническое обслуживание или другие технические службы, связанные с восстановлением и закалкой изношенных деталей.

Список литературы:

1. Крагельский И. В. Трение и износ. — 2-е изд. перераб. и доп. — М.: Машиностроение, 1968. — 480с.
2. Богданович П. Н., Прушак В. Я. Трение и износ в машинах: учеб. для вузов. — Мн.: Высш.шк, 1999. — 374 с.
3. Хасуи А., Моригаки О. Наплавка и напыление / под ред. В. С. Степина, Н. Г. Шестеркина: пер. с яп. В. Н. Попова. — М.: Машиностроение, 1985. — 240 с.
4. Исследование влияния микродугового оксидирования на износостойкость гильзы цилиндра ДВС из алюминиевого сплава / Н. Ю. Дударева, Р. В. Кальщиков, Н. Х. Мусин, Д. А. Рябова // Вестник ИрГТУ. 2013. № 9 (80). С. 63–70.
5. Плазменно-электрическое модифицирование поверхности металлов и сплавов. В 2-х т. Т. 2 / И. В. Суминов, П. Н. Белкин, А. В. Эпельфельд и др.; под общ. ред. И. В. Суминова. — М.: Техносфера, 2011. — 512 с.