6.3.5. Электроимпульсное нанесение покрытий

Электроимпульсное нанесение покрытий основано на импульсном разряде конденсатора через проволоку напыляемого металла. При этом происходит взрывное плавление проволоки и осаждение расплавленных мелких частиц металла на поверхности изделия. На рис. 6.6. показана принципиальная схема электроимпульсного нанесения покрытий.

Рис. 6.6. Схема электроимпульсного напыления:

СН – источник питания для зарядки конденсатора; R – резистор; С – конденсатор; SW – выключатель; EW – проволока; В – основной материал (цилиндрическое изделие)

Используемая для нанесения покрытий электроразрядная цепь представляет собой колебательный контур и характеризуется следующими данными: ёмкость конденсатора 100 мкФ, максимальное напряжение зарядного тока 30 кВ, собственная частота колебаний электроразрядной цепи 25 кГц. Для напыления используют металлическую, например вольфрамовую, проволоку диаметром 0,5…1,0 мм и длиной 20…150 мм.

При разряде в оптимальном режиме около 40% массы проволоки превращается в газ, а остальные 60% - в капли расплавленного металла, сталкивающиеся с поверхностью основного материала. Образующиеся при взрывном разряде капли напыляемого металла можно разделить на две группы, к одной из которых относятся частицы размером несколько микрометров, а к другой – размером несколько сотых долей микрометра. Покрытие образуется за счёт осаждения на поверхности частиц первой группы, тогда как частицы второй группы улетучиваются, превращаясь в аэрозоль. При недостаточном уровне энергии разряда металлическая проволока расплавляется без взрыва, а при чрезмерном уровне энергии – полностью переходит в газообразное состояние. И в том и в другом случае напыление невозможно.

Своеобразие электроимпульсного нанесения покрытий связано с особо малым размером частиц напыляемого материала в мелкораспылённом состоянии. При столкновении с поверхностью основного материала скорость движения частиц достигает нескольких сотен метров в секунду. Движение частиц к основному материалу происходит за счёт резкого расширения газа при взрыве и вытеснении воздуха из зоны взрыва, что почти полностью исключает окисление частиц, следовательно, обеспечивает получение плотного покрытия с высокой прочностью сцепления с основным материалом. Недостаток электроимпульсного напыления состоит в том, что его применение ограничено электропроводными материалами.

6.3.6. Нанесение металлических покрытий методом плакирования гибким инструментом

В 1937 году А.А. Абиндером был предложен новый способ нанесения металлических покрытий с использованием металлических щеток (плакирование гибким инструментом). Но, несмотря на столь давнюю известность, этот способ подробно стали исследовать только в 1986 году в Магнитогорском горно-металлургическом институте (ныне Магнитогорский государственный технический университет). Плакирование гибким инструментом (ПГИ) совмещает в себе нанесение металлических покрытий и одновременное пластическое деформирование поверхности, в результате чего формируется поверхностный слой, характерный только для данного способа. Этому методу присущи простота, низкая энергоёмкость и экологическая чистота, поэтому в настоящее время он широко распространён в технологических процессах металлообработки.

Для практической реализации метода ПГИ в основном используются схемы, приведенные на рис. 6.7.

	Рис. 6.7. Основные схемы реализации ПГИ: 1 – элемент из материала покрытия (ЭМП); 2 – дисковая проволочная щётка; 3 – обрабатываемая деталь; 4 – нанесённое покрытие

Во всех трёх схемах процесс плакирования осуществляется при взаимодействии трёх элементов: элемента из материала покрытия 1, быстро вращающейся щетки 2 и движущейся детали 3. За счёт интенсивного тепловыделения в контакте щетки 2 и элемента 1, поверхность последнего разогревается до высоких температур, частички материала покрытия налипают на периферийную часть ворса и переносятся к детали 3.

Температурные и силовые условия в зоне взаимодействия щётки и детали подбирают так, чтобы возникло интенсивное схватывание и перенос металла покрытия с ворса щетки на обрабатываемую поверхность. В результате формируется сплошное, прочно сцепленное с основой покрытие.

Различие между схемами состоит в расположении детали, направлении и характере ее движения относительно щётки.

В схеме на рис. 6.7,а продольные оси щётки и детали параллельны, деталь вращается и одновременно движется в осевом направлении. Такой характер взаимодействия применяется при плакировании цилиндрических тел большого диаметра и сравнительно малой длины.

При реализации схемы по рис. 6.7,б продольные оси щётки и детали перекрещиваются в пространстве. Их проекции либо перпендикулярны, либо пересекаются под углом 25˚…45˚. Данный порядок взаимодействия применяется при обработке длинномерных изделий незначительного диаметра или ширины (проволока, лента).

Схема, изображенная на рис. 6.7,в применяется при обработке широких плоских деталей. Обрабатываемая поверхность поступательно движется относительно щётки в двух направлениях.

Общим для всех рассмотренных схем (рис. 6.7) и их разновидностей является то, что щётка находится в постоянном контакте с деталью от начала и до конца обработки. Основным недостатком представленных схем реализации ПГИ является то, что они не обеспечивают формирование покрытий значительной толщины.

В настоящее время известны различные виды гибких инструментов: дисковые, кольцевые, валковые, торцевые, плоские, концевые, секционные, пучковые и ленточные щётки, а также иглофрезы. Но не все виды подобных инструментов могут быть применены для ПГИ, так как при плакировании необходимо обеспечить определённое тепловое и напряженно-деформированное состояние поверхностного слоя. Наиболее часто для нанесения покрытий используют простые и универсальные дисковые щётки с проволочным ворсом. Диаметр щёток в основном варьируется от 200 мм до 350 мм, они работают при частоте вращения от 1500 об/мин до 10000 об/мин, а скорость скольжения ворса по детали при этих условиях составляет 25…40 м/с. Щётки изготовляют из канатной проволоки диаметром 0,2…0,6 мм. Покрытия из мягких металлов и сплавов на стальные поверхности рекомендуется наносить мягкими щетками из проволоки 0,2…0,35 мм с коэффициентом заполнения ворсинками рабочей поверхности инструмента 0,3.

Для расширения технологических возможностей и повышения качества обработки в конструкцию дисковых щёток вносят различные изменения и дополнения. Например, для дополнительной пластической деформации, ворс щётки могут комбинировать с ударными элементами в виде роликов, которые дополнительно уплотняют покрытие и упрочняют поверхностный слой.

В качестве материала покрытия может использоваться сам ворс щётки.

Для реализации ПГИ чаще всего используется шлифовальные и токарно-винторезные станки. Шлифовальные станки не требуют большой модернизации, на них вместо абразивного круга достаточно установить металлическую щётку и смонтировать на защитном кожухе механизм подачи элемента из материала покрытия (ЭМП). При использовании токарно-винторезных станков вместо резцедержателя устанавливается приставка, содержащая вращающуюся металлическую щётку с приводом, механизм подачи материала покрытия и органы управления.

При плакировании больших партий изделий выгодно изготавливать специальные устройства, позволяющие увеличить производительность. Например, при обработке проволоки или ленты.