3.3.2 Проплавление покрытий из самофлюсующихся сплавов

Обычно самофлюсующиеся сплавы представляют собой сплавы на основе никеля или кобальта, содержащие более 1,5% бора или кремния. Из табл. 3.10 [15] видно, что у бора и кремния сродство к кислороду больше, чем у металлов, входящих в самофлюсующиеся сплавы.

При нагревании покрытий из этих сплавов до температуры 1000…1100 °С происходит их проплавление, и бор или кремний превращаются в B₂O₃ и SiO₂. Образовавшиеся в покрытии окислы металлов растворяются с образованием стекловидных шлаков, которые всплывают на поверхность проплавляемого покрытия. Такая обработка помимо удаления пор в покрытии позволяет проплавить тонкий слой на поверхности основы и на границе раздела основа-покрытие образовать переходную зону, которая представляет собой сплав материала покрытия с материалом основы. В результате этого значительно повышается прочность сцепления покрытия с основой. Обработанные таким образом покрытия имеют своеобразную структуру — твердый раствор никель-хром с включением соединений металлов, имеющих высокую твердость.

Проплавление покрытий можно производить газовой горелкой в печи с контролируемой атмосферой или путем высокочастотного нагрева.

Проплавление газовой горелкой – довольно распространенный способ. Для этой цели применяют многосопловые горелки, у которых в качестве окислителя используют кислород, а в качестве горючего — ацетилен или пропан. Нагрев осуществляют спокойным нейтральным или восстановительным пламенем. Проплавление рекомендуется производить после предварительного подогрева всей детали. При интенсивном подводе теплоты может произойти быстрое расширение покрытия и возможно отделение напыленного слоя от основы. Если после нарушения связи покрытия с основой продолжать нагрев, то под действием кислорода воздуха происходит чрезмерное окисление поверхности основы, что, в конечном счете, приведет к образованию мест, в которых не удается достигнуть хорошего соединения металлов основы и проплавляемого покрытия.

Таблица 3.10 – Свободная энергия образования окислов , Дж/г

227 ºС		727 ºС		1227 ºС		1727 ºС
Металл		F		Металл		F
Ag Hg Cu C(O) Pb Ni Co Cd Fe Zn Cr Na Mn V B Si Ti U Al Ba Li Mg Be Ca	+0,06 -8,8 -31,5 -37,1 -40,4 -46,1 -47,9 -50,4 -55,5 -71,3 -81,6 -83,0 -83,1 -89,0 -91,2 -94,0 -101,2 -119,1 -120,7 -121,5 -127,7 -130,8 -131,3 -138,2	Cu Pb Ni Cd Co Fe C Zn Na Cr Mn V B Si Ti Al U Li Ba Mg Be Ca -	-23,3 -28,7 -35,0 -37,7 -38,8 -47,8 -47,9 -61,4 -65,5 -69,7 -74,5 -79,0 -81,7 -83,4 -91,1 -108,2 -109,0 -110,2 -110,5 -117,7 -119,6 -126,0 -	Cd Cu Pb Ni Co Na Zn Fe C Cr Mn V B Si Ti Li Al U Ba Mg Be Ca -	-14,4 -15,2 -18,7 -24,2 -29,5 -38,3 -38,9 -40,0 -58,3 -59,5 -65,6 -69,5 -73,1 -73,1 -80,5 -92,0 -95,1 -98,8 -99,0 -101,3 -108,3 -113,3 -	Na Cu Ni Zn Co Fe Cr Mn U V ASi B C Ti Mg Al Ba Ca Be -	-7,9 -10,7 -13,0 -15,0 -19,9 -33,8 -49,1 -55,1 -59,6 -60,5 -61,9 -65,0 -68,5 -70,1 -76,1 -82,0 -86,0 -95,5 -95,6 -

Проплавление покрытия желательно проводить сразу же после напыления. Это выгодно как экономически, так и для предотвращения отслоения покрытия.

При проплавлении необходимо обращать внимание на то, чтобы температура была не слишком высокой. Обычно в промышленных условиях температурой проплавления принято считать такую температуру, при которой на поверхности проплавляемого участка появляется отражение сопла нагревательной горелки (образуется зеркальная поверхность). При чрезмерном нагревании может произойти стекание покрытия, и его толщина станет неравномерной. Кроме того, может понизиться твердость покрытия, появятся усадочные раковины, и покрытие будет иметь губчатую структуру [16].

Проплавление покрытий на деталях цилиндрической формы (например, валы) удобно проводить на токарных станках, что позволяет при вращении детали обеспечить равномерное проплавление перемещением горелки, установленной в суппорте.

Проплавление в печи с контролируемой атмосферой. Проплавление покрытий можно осуществлять в печах с восстановительной атмосферой, создаваемой газами при сгорании древесного угля или аммиаком, или в печах с нейтральной атмосферой, для образования которой используют водород или азот. При длительном нагревании может произойти ухудшение характеристик покрытия, так как составляющие основы могут диффундировать в покрытие.

Высокочастотный индукционный нагрев применяют в основном при крупносерийном производстве деталей простой формы. Условия проплавления представляют собой соответствующее сочетание времени нагрева, потребляемой мощности и формы индуктора.

Самофлюсующиеся сплавы имеют сравнительно низкую ковкость и довольно высокий коэффициент теплового расширения. Поэтому после проплавления при охлаждении в покрытии могут появиться трещины. В случаях, когда при обычном охлаждении не происходит мартенситных преобразований в материале основы (углеродистая сталь, содержащая менее 0,25% С, ферритная коррозионно-стойкая сталь SUS 38, аустенитная коррозионно-стойкая сталь SUS 27), при охлаждении после проплавления не требуется особой обработки. Однако при значительных толщинах покрытия в результате резкого охлаждения могут образоваться трещины. Для предупреждения этого охлаждение желательно проводить в теплоизоляционных материалах: асбесте, пепле из соломы и т. д. При продолжительной выдержке аустенитных коррозионно-стойких сталей в диапазоне температур 430…870°С или при медленном охлаждении в этом диапазоне температур растворенный в аустените углерод выделяется по границам зерен в виде хромистых карбидов. В местах образования этих соединений происходит уменьшение концентрации хрома, что в свою очередь приводит к снижению коррозионной стойкости и жаростойкости материала [17].

Чтобы избежать образования трещин при проплавлении покрытий, нанесенных на углеродистые стали с 0,25…0,4% С, перед проплавлением их необходимо подогреть до 250…370 °С, а после проплавления медленно охладить.

Если после проплавления покрытия из самофлюсующихся сплавов, нанесенные на легированные стали, обладающие высокой закаливаемостью, охлаждать в обычной атмосфере, то покрытие растрескивается. Причина заключается в том, что при охлаждении происходит усадка покрытия, а также в том, что материал основы расширяется при охлаждении на воздухе от температуры, соответствующей аустенитной области, с образованием мартенситной структуры.

Чтобы в таких случаях предотвратить образование трещин, желательно провести изотермический отжиг, воспользовавшись диаграммой превращения аустенита для данной марки стали. Для того чтобы при охлаждении системы основа — покрытие, нагретой выше точки фазового превращения А_С3, аустенит за минимальный период времени полностью перешел в феррит, необходимо покрытие охладить до температуры, соответствующей наиболь­шей скорости процесса аустенитного превращения, затем выдержать (выдержка зависит от состава стали и обычно составляет 0,5…2 ч) и лишь после этого охладить до нормальной температуры. Если температура выдержки несколько отклонится от указанной, время превращения резко возрастет. Поэтому выдержку изделий с проплавленными покрытиями следует производить в устройствах, где достаточно строго контролируется температура среды (соляные ванны, печи и т. д.).

На рис. 3.21 в качестве примера показана диаграмма изотермического превращения аустенита (сплошные линии) для стали En56A^*, из которой видно, что наиболее быстрое превращение аустенита в феррит происходит при 700 °С [18].

Рисунок 3.21 – Диаграмма аустенитного превращение стали Еn 56А

и коррозионно-стойкой стали CUC 21

Следовательно, при проплавлении покрытия, которое производится при 1000…1100°С, сталь нагреется выше точки А_С3 (850°С). Поэтому предварительно необходимо понизить температуру стали до 700 °С, а затем выдержать в течение 2 ч в печи при температуре 700 ± 10 °С и лишь после этого охлаждать на воздухе. На рассматриваемом рисунке штриховыми линиями показана диаграмма для коррозионно-стойкой стали SUS21.

Если детали небольшие, то при проплавлении покрытия газовым пламенем материал основы нагревают обычно выше 850 °С. Такие детали сразу после окончания проплавления необходимо выдержать в печи при 700 °С. При проплавлении покрытий, нанесенных на большие детали газовым пламенем, температура всей детали должна превышать 850 °С. В этом случае перед нача­лом проплавления необходимо провести предварительный подогрев основы до температуры 350…500 °С (температура начала мартенситных преобразований, точка М_S, для стали En56A составляет 310 °С). После проплавления покрытия деталь следует поместить в печь и нагреть до 870 °С, а затем выдержать в печи при 700 ± 10 °С в течение 2 ч [18].

Для коррозионно-стойкой стали SUS 44 требуется значительное время для превращения аустенита в феррит и цементит. Поэтому для этой стали лучше не производить проплавления покрытия.

На стали с повышенным содержанием серы и свинца нельзя напылять проплавляемые покрытия, так как при проплавлении сера и свинец проникают в покрытие и делают его хрупким [2].

Коррозионно-стойкая сталь SUS 38 содержит 0,1…0,3 % Al. Такое содержание алюминия не влияет отрицательно на свойства проплавляемого покрытия. Однако когда содержание алюминия превышает 0,5%, или содержание титана превышает 1%, восстановление окислов на поверхности основы становится затруднительным, и смачиваемость основы материалом проплавляемого покрытия ухудшается.

Содержание азота в коррозионно-стойкой стали SUS 27 превышает 0,1%. При таком содержании азота на границе между покрытием и основой в результате реакции азота с бором, который содержится в покрытии, образуются аморфные соединения азота, что препятствует прочному сцеплению покрытия с основой.

Устранить вредное влияние азота, содержащегося в основе, можно следующим образом. После обработки основы абразивными материалами ее нагревают на воздухе до 850…900 °С. Затем основу подвергают вторичной обдувке, чтобы удалить с поверхности окалину и окислы. Напыление рекомендуется проводить с предварительным подогревом основы до температуры 250…300°С [18].

Химический состав стали типа En приведен в табл. 3.12.

Таблица 3.12 – Химический состав сталей типа En, %

En	Марка стали		C	Mn	Ni	Cr	Mo	Другие элементы
	По SAE	По AISI
1	2	3	4	5	6	7	8	9
4	1026	С 1026	3,0	1,0	-	-	-	-
9	1055	С 1055	0,5…0,6	0,5…0,8	-	-	-	-
11	5160	5160	0,5…0,7	0,5…0,8	-	0,5…0,8	-	-
12	-	-	0,3…0,45	1,5	0,6…1,0	-	-	-
13	-	-	0,15…0,25	1,4…1,8	0,4…0,2	-	0,15…0,35	-
14 А/1	1320	1320	0,23	1,2	-	-	-	-
	1024	С 1024						-
15	1036	С 1036	0,3…0,4	1,3…1,7	-	-	-	-
	1335	1335						-
16	-	-	0,3…0,4	1,3…1,8	-	-	0,2…0,35	-
17	-	-	0,3…0,4	1,3…1,8	-	-	0,35…0,55	-
18	5140	5140	0,35…0,45	0,6…0,95	-	0,85…1,15	-	-
19	4140	4140	0,35…0,45	0,5…0,8	-	0,9…1,5	0,2…0,4	-
21	2330	2330	0,25…0,35	0,35…0,75	2,75…3,25	0,3	-	-
23	-	-	0,25…0,35	0,45…0,7	2,75…3,5	0,5…1,0	0,65	-
24	4340	4340	0,35…0,45	0,45…0,7	1,3…1,8	0,9…1,4	0,2…0,3	-
25	-	-	0,27…0,35	0,5…0,7	2,3…2,8	0,5…0,8	0,4…0,7	-
26	-	-	0,36…0,44	0,5…0,2	2,3…2,8	0,5…0,8	0,4…0,7	-
Продолжение таблицы 3.12
1	2	3	4	5	6	7	8	9
28	-	-	0,25…0,4	0,7	3,0…4,5	0,75…1,5	0,2…0,65	-
30 А	-	-	0,26…0,34	0,4…0,6	3,9…4,3	1,1…1,4	-	-
31	51100	Е 51100	0,9…1,2	0,3…0,75	-	1,0…1,1	-	-
	52100	Е 52100						-
33	-	-	0,1…0,15	0,3…0,6	2,75…3,5	0,3	-	-
36 А	-	-	0,15	0,3…0,6	3,0…3,75	0,6…1,1	-	-
39 В	-	-	0,12…0,18	0,5	3,8…4,5	1,0…1,4	0,15…0,35	-
40 А	-	-	0,1…0,2	0,4…0,65	0,4	2,9…3,5	0,4…0,7	-
42	1074	С 1074	0,7…0,85	0,55…0,75	-	-	-	-
	1080	С 1080						-
44	1095	С 1095	0,9…1,2	0,45…0,7	-	-	-	-
45	9255	9255	1,5…1,6	0,7…1,0	-	-	-	1,5-2,0 Si
47	6150	6150	0,45...0,55	0,5...0,8	-	0,8...1,2	-	>0,15V
56 А	51410	410	0,12	1,0	1,0	12,0…14,0	-	-
100	-	-	0,35…0,45	1,2…1,5	0,5…1,0	0,3…0,6	0,15…0,25	-
110	-	-	0,35…0,45	0,4…0,8	1,2…1,6	0,9…1,4	0,1…0,2	-