3.1.2 Способы подготовки поверхности

Существуют следующие способы подготовки поверхности перед напылением: дробеструйный; механический; напыление тонкого подслоя молибдена, прочно сцепляющегося с основой; электроискровой, при котором на поверхности остаются наваренные частицы присадочного материала; химический.

Дробеструйная обработка. Используют два типа устройств: пневматические и центробежные. В устройствах с пневматической подачей абразивные частицы разгоняются сжатым воздухом и, вытекая из сопла в виде струи, ударяются с большой скоростью об обрабатываемую поверхность. В центробежных устройствах абразивные частицы непрерывно подаются во вращающееся с большой скоростью лопаточное колесо, где они разгоняются и под действием центробежных сил устремляются на обрабатываемую поверхность.

Устройства с пневматической подачей показаны на рис. З.1…3.2; первое из них является эжекционным, а второе — нагнетательным.

1 – сопло; 2 – абразивный материал; 3 – бункер; 4 – шланг

Рисунок 3.1 – Эжекционный дробеструйный аппарат

1 – абразивный материал; 2 – шланг; 3 – сопло

Рисунок 3.2 – Нагнетательный дробеструйный аппарат

Эжекционные устройства более дешевые, их используют для обдувки абразивными материалами поверхностей небольших деталей. Эти устройства не обеспечивают абразивным частицам высоких скоростей и не позволяют получать достаточную шероховатость поверхности таких твердых материалов как, например, чугун. Нагнетательные устройства имеют большую производительность, их можно применять для придания шероховатости твердым поверхностям. Устройства с центробежной подачей абразива используют только на поточных линиях. Это делается для того, чтобы они были рентабельными, так как являются наиболее дорогими.

При использовании одного и того же абразивного материала и при одном и том же сопле дробеструйного устройства с увеличением давления сжатого воздуха увеличивается производительность процесса обдувки. С увеличением размера частиц абразивного материала производительность обдувки возрастает. Однако при этом увеличивается расстояние между выступами или впадинами шероховатой поверхности. Поэтому обычно используют смесь, состоящую из мелких и крупных зерен. При испытаниях, продолжительность которых не превышала 15 мин, с увеличением времени обработки шероховатость поверхности возрастала [1]. На технологию дробеструйной обработки оказывают влияние вид абразивного материала, его форма и размеры, требования, предъявляемые к свойствам наносимого покрытия, и другие факторы.

В качестве абразивных материалов для дробеструйной обработки используют стальную и чугунную крошку, корунд, карбид кремния, кварцевый песок, гранит и другие материалы. В кварцевом песке и граните не допускается содержание легко разрушаемых минералов, которые после обдувки остаются на поверхности детали. Абразивный материал выбирают в зависимости от размера обрабатываемой детали, формы и твердости ее материала. Обычно для обдувки в качестве абразивных материалов используют крошку из стали или отбеленного чугуна, корунд и кварцевый песок. Крошка из отбеленного чугуна или стали довольно прочна и имеет продолжительный срок службы.

Пескоструйную обработку кварцевым песком обычно используют для конструкций, находящихся вне помещения, на которые напыляют цинк или алюминий. При толщинах цинкового покрытия менее 0,20 мм и алюминиевого покрытия менее 0,13 мм применяют кварцевый песок зернистостью 370…830 мкм (40% кварцевого песка не должны проходить через сито с размером ячеек 500 мкм). Для получения более толстых цинковых и алюминиевых покрытий необходимо производить пескоструйную обработку более крупными зернами кварцевого песка, размер которых составляет 500…1400 мкм. При этом 40% такого песка не должны просеиваться через сито с размером ячеек 830 мкм.

Стальную крошку и корунд можно использовать многократно. Для напыления цинковых покрытий, толщина которых не превышает 0,20 мм, и алюминиевых покрытий толщиной не более 0,13 мм проводят обдувку стальной крошкой с размером зерна 400…700 мкм, а при напылении более толстых цинковых и алюминиевых покрытий — стальной крошкой с размером зерна 700…1000 мкм [1].

В большинстве случаев перед напылением производят обработку стальной крошкой с размером зерна 500…1000 мкм. Обдувку крупными зернами (900…1000 мкм) применяют для придания шероховатости поверхностям деталей механизмов. Мелкую крошку в основном используют для обработки поверхностей, на которые напыляют антикоррозионные покрытия [4]. При обдувке металлической крошкой применяют сжатый воздух под давлением 2,8…5,3 кгс/см². Составленную в разных пропорциях смесь из стальной крошки с размером зерна 400…700 мкм наиболее часто используют для обдувки поверхностей перед нанесением покрытия из самофлюсующихся сплавов.

Для напыления цинковых покрытий, толщина которых не превышает 0,20 мм, и алюминиевых покрытий толщиной не более 0,13 мм можно осуществлять предварительную обработку поверхности обдувкой корундом с размером зерен 260…830 мкм. При этом 40% зерен не должны проходить через сито с ячейками размером 370 мкм. Для более толстых покрытий рекомендуется обдувка более крупными зернами корунда размером 430…1400 мкм, из которых более 40% зерен не должны проходить через сито с ячейками 700 мкм. Для материалов, твердость которых превышает НRС 40, рекомендуется корунд с размером зерен 430…1400 мкм. При обдувке корундом используют сжатый воздух под давлением 2,8…3,5 кгс/см² [2]. Для тонких деталей применяют мелкозернистый корунд; обработку проводят при низких давлениях сжатого воздуха. При подготовке поверхностей корундом достигается большая производительность, чем при обдувке стальной крошкой. Однако следует учитывать, что зерна корунда легко разрушаются. При высоких давлениях сжатого воздуха разрушение их происходит довольно быстро, что невыгодно с экономической точки зрения. Кроме того, в ряде случаев нельзя получить соответствующую шероховатость обрабатываемой поверхности. При повторном использовании корунда его необходимо просеивать и отделять мелкие зерна.

Удовлетворительную шероховатость поверхности для напыления керамики можно получить обдувкой карбидом кремния.

На поверхности, подвергнутой обдувке абразивными материалами, образуются многочисленные выступы и впадины, которые повышают механическое сцепление напыленного покрытия с основой. С увеличением шероховатости основы обычно повышается прочность сцепления покрытия.

Обдувка абразивными материалами позволяет также удалять тонкий слой масла, который может быть на поверхности основы. Однако не следует использовать повторно этот же абразивный материал для удаления окислов и придания поверхности шероховатости. Шероховатые поверхности, полученные после подготовки абразивными материалами, содержащими масло, не обеспечивают хорошей прочности сцепления с напыленным покрытием.

После окончания обдувки необходимо произвести контроль поверхности и убедиться в однородности ее шероховатости. Время между обдувкой и напылением должно быть по возможности минимальным, так как шероховатая основа, имея развитую поверхность, является активной и легко окисляется. С увеличением этого промежутка времени ухудшается сцепление покрытия с основой [5].

При обдувке необходимо также обращать внимание на то, чтобы сжатый воздух не содержал влагу и особенно масло.

Механическая обработка основы. Перед напылением покрытия на такие детали машин, как валы, цилиндры и т. д., предварительную обработку поверхностей можно производить нарезанием резьбы, проточкой канавок, обкаткой и др. Такая подготовка поверхности особенно эффективна, когда необходимо напылить толстое покрытие или когда покрытие предназначено для работы в условиях больших нагрузок. Подготовку поверхности механической обработкой не производят при применении твердых и хрупких материалов или когда необходимо получить тонкое покрытие. Кроме того, такая предварительная обработка не подходит для больших поверхностей, а также для поверхностей неправильной формы. Механическую предварительную обработку применяют в тех случаях, когда основа легко поддается механической обработке и является достаточно мягкой.

На рис. 3.3 показан пример подготовки механической обработкой цилиндрической поверхности, на которой была нарезана резьба с последующей накаткой [6].

1 – напыленное покрытие; 2 – нарезанная и обкатанная резьба;

3 – нарезанная резьба

Рисунок 3.3 – Подготовка поверхности основы механической обработкой

Для напыления можно сделать на поверхности вала проточку на глубину, соответствующую толщине напыляемого слоя (рис. 3.4). Значения глубины проточек приведены в табл. 3.1 [4].

Таблица 3.1 – Глубина проточек на валу для напыления покрытий

Обрабатываемые детали	Диаметр вала, мм.
	25,4	25,4… 50,8	50,8… 101,6	101,6… 152,4	152,4
Валы дизельных двигателей, прокатных станов, плунжеры и шатуны насосов и компрессоров и другое оборудование, где требуется максимальная надежность	-	1,02	1,27	1,52	1,78
Обычные подшипники скольжения, втулки и плунжеры насосов, другие устройства, для которых необходимо обеспечить обычную работоспособность	0,51	0,76	1,02	1,27	1,52
Зубчатые колеса, плунжеры и др. колеса обрабатываются в тех местах, где необходимо увеличить размер под прессовую посадку, и в этом случае напыление молибденового подслоя не применяют	0,25	0,25	0,51	0,51	0,51

Длина проточки на валу должна превышать длину подшипника приблизительно на 3 мм от каждого края подшипника. Желательно, чтобы углубление было клиновидной формы (см. рис. 3.4) во избежание отслаивания покрытия на концах.

А – глубина, обусловленная припуском на износ; В – полная глубина;

С – номинальная глубина; D – толщина напыленного слоя;

b – припуск на механическую обработку; S – полная длина проточки

Рисунок 3.4 – Определение глубины проточки

На рис. 3.5 показаны правильная и неправильная разделки раковин для исправления дефектов напылением [3], а на рис. 3.6 – подготовка поверхности для напыления нарезанием канавок или резьбы.

_{а – первоначальная форма; б – правильно, в – неправильно}

_{Рисунок 3.5 – Разделка раковин перед напылением}

l – длина резьбы

Рисунок 3.6 – Примеры нарезки канавок и резьбы

Примеры подготовки поверхности на конце вала приведены на рис. 3.7. В рассматриваемом случае неправильная подготовка поверхности может привести к отслаиванию и скалыванию покрытия [1].

а – наварка буртика и механическая обработка; б – установка кольца

на горячей посадке в – нарезка шлицев

Рисунок 3.7 – Обработка конца вала

Непосредственное напыление покрытия сразу после проточки углублений на токарном станке и последующая механическая обработка покрытия (резание или шлифование) являются рациональными, если операции производятся в непрерывной последовательности.

Напыление подслоя молибдена является эффективным способом получения шероховатой поверхности для последующего напыления. При напылении молибдена газопламенным методом в качестве горючего газа используют ацетилен. Молибденовые покрытия являются устойчивыми на поверхностях деталей из чугуна, коррозионно-стойкой стали, монеля, хромо-никелевого сплава, магниевых сплавов, большинства алюминиевых сплавов и т. д. Они прочно сцепляются с основой. Толщина подслоя из молибдена небольшая (0,05…0,13 мм).

Напылять его можно на гладкую, чистую поверхность. Однако желательно перед напылением обработать поверхность грубой наждачной бумагой. Если же подготовить поверхность механической обработкой или произвести дробеструйную обработку абразивным материалом, покрытия из молибдена будет обладать значительной прочностью сцепления с основой. В случаях, когда на подслой из молибдена необходимо напылить покрытие, толщина которого превышает 1,25 мм, рекомендуется предварительная механическая обработка основы. При напылении подслоя молибдена на валы во избежание возможного отслоения покрытия на концах ширина напыляемого слоя должна быть несколько больше ширины подшипника или втулки.

Напыление подслоя молибдена не производится на азотированную сталь, медь и медные сплавы.

Подложка из молибдена, напыленная на трущиеся детали, у которых на поверхности температура превышает 300 °С, легко разрушается и отделяется от основы, так как при такой температуре происходит окисление молибдена. В таких случаях напыляют подложку из сплава 80% Ni — 20% Cr или из коррозионно-стойкой стали 16% Ni — 24% Cr [6].

При напылении алюминиевого покрытия, толщина которого превышает 0,20 мм, или цинкового покрытия толщиной более 0,25 мм на поверхность, подготовленную дробеструйной обработкой абразивными материалами, напыляют тонкий слой (толщина ≈0,03 мм) углеродистой стали, содержание углерода в которой не превышает 0,25%. Такой подслой позволяет в значительной степени повысить прочность сцепления алюминиевого и цинкового покрытия с основой.

Электроискровую подготовку поверхности проводят обычно в том случае, когда основа имеет высокую твердость и не может быть обработана дробеструйным или механическим способами. Для такой подготовки используют пучки никелевой (когда основа стальная) или алюминиевой (когда основа алюминиевая) проволоки, выполняющие роль электродов. Эти электроды расплавляются электрической дугой и привариваются небольшими частицами к поверхности основы. При этом на поверхности образуются небольшие выступы (0,1…0,75 мм). Перед электроискровой подготовкой поверхности необходимо ее обезжирить и очистить. В каче­стве источников тока используют специальные трансформаторы с напряжением на вторичной обмотке 9 В (максимальное напряжение) и током 340 А [4]. Электроискровую подготовку поверхности можно также произвести и при помощи обычного сварочного аппарата.

На грубой поверхности основы легче возникает дуга, чем на гладкой. При обработке гладких поверхностей можно добиться хороших результатов при больших значениях силы тока [4]. Этот метод позволяет получать очень грубые поверхности, что в значительной степени повышает прочность сцепления покрытия с основой. Однако он не применим в случаях, когда необходимо напылить тонкое однородное покрытие.

К недостаткам этого метода следует отнести низкую скорость обработки поверхности. Обычная скорость обработки составляет ≈ 0,19, а максимальная — 0,37 м²/ч. Кроме того, при обработке таким методом на поверхности образуются небольшие углубления в результате расплавления под действием дуги, которые в значи­тельной степени снижают усталостную прочность.

На рис. 3.8 показана подложка после электроискровой обработки поверхности, а на рис. 3.9 — подложка с напыленным на ней покрытием.

Химическая подготовка поверхности представляет собой травление, которое протекает с различной скоростью у кристаллов и межкристаллических включений обрабатываемого материала, что обусловливает появление шероховатой поверхности. Такую подготовку иногда называют селективным травлением. В результате травления на обрабатываемой поверхности образуется большое количество впадин, у которых верхние части уже нижних, что позволяет обеспечить хорошее сцепление напыляемого материала с основой. В табл. 3.2 приведены рекомендуемые растворы для травления различных материалов перед напылением [7].

Рисунок 3.8 – Поверхность основы после электроискровой подготовки

1 – напыленное покрытие; 2 – подслой никеля, образовавшийся

при электроискровой обработке; 3 – основа

Рисунок 3.9 – Покрытие, напыленное на поверхность,

предварительно обработанную электроискровым методом

Таблица 3.2 – Растворы для химической обработки поверхностей

под напыление

Материал	Состав травителя	Продолжительность обработки
Медь	(20% SO4) x 1+(10% HNO3) x 3	70 ч
Чугун	15% HNO3	16 мин
Холоднокатаная сталь	7%HNO3	25 мин
Коррозионно-стойкая сталь 316	(40% HNO3) x 2+(20% HCl) x 3	10 мин
Магний с добавками 7%Zr,3%Th	2% NH4NO2	8 ч

Получать шероховатую поверхность путем травления перед напылением не следует, если обрабатываемый материал имеет очень мелкую структуру. В этих случаях рекомендуется провести отжиг, который приводит к увеличению размеров кристаллов, а затем — травление. Недостаток химической подготовки поверхности в том, что после травления в щелях на поверхности обрабатываемого материала может остаться травильный раствор, что приведет к разрушению покрытия при работе детали. На рис. 3.10 показан слой ZrO₂, напыленный на коррозионно-стойкую сталь 316 (AISI), поверхность которой была предварительно подвергнута травлению.

1 – покрытие из двуокиси циркония;

2 – основа – коррозионно-стойкая сталь

Рисунок 3.10 – Покрытие из двуокиси циркония, напыленное

на поверхность, предварительно подвергнутую химическому травлению