4 Напыляемые материалы

Создание новых конструкций распылителей, в которых для нагрева и ускорения частиц напыляемого материала используется плазменная струя или энергия взрыва смеси горючих газов, а также улучшение характеристик уже существующих горелок позволяет напылять практически все материалы, существующие в твердом виде, которые в процессе распыления не испаряются и не изменяют значительно своих свойств.

При напылении некоторых материалов не удается получить плотного и прочного покрытия вследствие появления в напыленном слое микротрещин, образование которых связано с процессом резкого охлаждения и неравномерной усадкой расплавленных частиц в момент их соударения с подложкой.

Ниже рассматриваются свойства наиболее широко используемых для напыления проволочных и порошковых материалов.

Требования, предъявляемые к порошковым материалам, в частности к форме частиц и гранулометрическому составу (это связано с обеспечением равномерной подачи порошков в распылитель), ограничивают широкое применение порошковых способов напыления в промышленности.

4.1 Проволока

При дуговом, газопламенном и высокочастотном индукционном способах напыления в качестве напыляемого материала (металла или сплава) в большинстве случаев используют проволоку.

Использование проволоки позволяет осуществлять непрерывную и равномерную подачу напыляемого материала в горелку, что повышает устойчивость процесса напыления и качество получаемого покрытия.

Цинк. Для напыления можно использовать различные сорта цинка JIS* 2107, чистота которых превышает 99,6%, а также электролитический цинк, имеющий чистоту выше 99,97%. Находит широкое применение недорогой рафинированный цинк, чистотой выше 99,99%. Чем выше чистота, тем меньше размер образующихся при напылении частиц, плотнее нанесенное покрытие и лучше его обрабатываемость.

При напылении на поверхности проволоки не допускается присутствия следов масла или других посторонних веществ, в частности имеющих белый цвет продуктов коррозии цинка [1].

Цинк напыляют в основном для защиты от коррозии черных металлов.

Алюминий. Для напыления обычно используют алюминий JIS 2102 1-го сорта (чистота выше 99,85%), а также рафинированный алюминий JIS 2111 3-го (чистота выше 99,95%) и 4-го сортов (чистота выше 99,92%).

Наличие в алюминии таких примесей, как медь и железо, в значительной степени снижает его антикоррозионные свойства. Особенно вредным оказывается совместное присутствие в алюминии примесей железа и кремния. Поэтому при напылении антикоррозионных алюминиевых покрытий важным требованием является высокая чистота алюминия и низкое содержание таких примесей, как железо и медь.

Использовать алюминиевую проволоку для напыления нельзя, если ее поверхность покрыта маслом или другими загрязнениями, а также окисной пленкой белого цвета [1].

Напыление алюминия производят для защиты от коррозии черных металлов, а также для повышения жаростойкости или электропроводности.

Молибден. Для напыления используют молибден чистотой выше 99,95%. Молибден хорошо сцепляется с поверхностью черных металлов, поэтому его часто используют для напыления подслоя, на который затем наносят покрытия из других материалов. Молибденовые покрытия обладают хорошей износостойкостью. Молибден является единственным материалом, который используют в промышленности для защиты элементов конструкций от действия горячей соляной кислоты.

Олово применяют для напыления покрытий, устойчивых к воздействию кислот, а также покрытий, используемых в пищевой промышленности. Для защиты оборудования пищевой промышленности нужно брать чистое олово. Особое внимание при этом необходимо обращать на содержание примесей мышьяка.

Свинец и его сплавы. Состав свинца и его сплавов приведен в табл. 4.1.

Таблица 4.1 – Химический состав проволок из свинца и свинцовых сплавов, %

Материал	Pb	Sn	Sb	Примеси (меньше)
				Cu	As	Fe	Bi	Ag	Al
Проволоки из чистого свинца	>99,99	<0,003	0,003	0,002	0,003	0,003	0,005	0, 002	-
То же, с добавками сурьмы	Основа	<0,008	4,5…5,5	0,003	0,003	0,004	0,001	0,002	-
Припой для пайки	»	49…51	<0,3	0,05	0,03	0,03	0,1	-	0,005

Свинец слабо взаимодействует с неконцентрированными кислотами. Однако в сильных кислотах, таких как азотная или серная, свинец растворяется. При наличии углерода в слабых кислотах свинец также легко растворяется. Свинец наносят на емкости и механизмы для повышения их кислотостойкости. Свинцовую проволоку, содержащую сурьму, напыляют обычно на подшипники для повышения их износостойкости. В табл. 4.2 показаны состав и свойства напыляемых на подшипники баббитов, основой которых служат олово и свинец.

Таблица 4.2 – Химический состав и свойства баббитов (JISH 5401)

Сорт

Марка

Химический состав, %

Sn

Sb

Cu

Pb

Zn

As

Примеси (меньше)

Pb

Fe

Al

Zn

Bi

As

Cu

1 2 2 В 3 4 5 6 7 8 9 10

WJ 1 WJ 2 WJ 2B WJ 3 WJ 4 WJ 5 WJ 6 WJ 7 Wj 8 WJ 9 WJ 10

Основа » » » » » 44,0...46,0 11,0...13,0 6,0...8,0 5,0...7,0 0,8...1,2

5,0...7,0 8,0...10,0 7,5...9,5 11,0...12 11,0...13,0 - 11,0...13,0 13,0...15,0 16,0...18,0 9,0...11,0 14,0...15,5

3,0...5,0 5,0...6,0 7,5...8,5 4,0...5,0 3,0...5,0 3,0...3,0 1,0...3,0 <1.0 <1.0 - 1,0...0,5

- - - <3.0 13,0…15,0 - Остальное » » » »

- - - - - 28,0...29,0 - - - - -

- - - - - - - - - - -

0,50 0,50 0,50 - - - - - - - -

0,08 0,08 0,08 0,10 0,10 0,10 0,10 0,10 0,10 0,10 0,10

0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,05 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01

0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 - 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05

0,08 0,08 0,08 0,08 0,08 - - - - - -

0,10 0,10 0,10 0,10 0,10 - 0,20 0,20 0,20 0,20 -

- - - - - - - - - 0,30 -

Продолжение табл. 4.2

Сорт		НВ при		Диапазон расплавления, 0С		Темпера-тура,0С
		200C	1000C	Начало	Конец
1 2 2 В 3 4 5 6 7 8 9 10	7,38 7,27 7,46 7,33 7,70 7,32 8,37 9,37 9,72 10,30 10,05	24,0 27,0 29,0 30,5 28,7 21,0 21,8 28,7 25,0 22,7 24,0	12,0 13,0 14,5 13,5 12,0 10,5 8,0 12,5 10,0 10,0 13,5	235 240 240 225 217 198 181 245 240 240 247	370 380 422 370 380 360 350 368 272 260 270	430 450 490 430 450 510 360 330 330 330 350	4,00 4,30 4,65 4,20 3,90 - - 2,60 2,40 - -	7,55 8,30 9,30 8,60 8,46 6,62 0,31 7,37 6,56 7,56 7,80	14,0 8,0 3,0 2,0 1,2 21,0 2,6 1,2 1,0 6,7 2,5	2,50 0,85 - - 0,60 0,30 3,40 0,26 0,26 0,20 0,47 0,50	2,3 2,5 3,0 2,1 - - - - - - 2,5	21,0 20,0 - 19,5 - 22,0 20,8 23,5 - - -	~5500 - ~6000 - - - ~3400 - - - ~3000

Медь и медные сплавы. Для напыления обычно используют медную проволоку, чистота которой превышает 99,90%. Полученные покрытия используют обычно в качестве электропроводных или декоративных.

Специальные алюминиевые бронзы. Содержание алюминия в таких бронзах составляет 5…12%. Помимо этого имеются также небольшие добавки железа, никеля и марганца. Алюминиевые бронзы обладают хорошей коррозионной стойкостью, особенно в морской воде. Кроме этого, они хорошо противостоят коррозионной усталости, являются эрозионно-стойкими и износостойкими. В табл. 4.3 приведены составы проволок из алюминиевой бронзы, используемых для напыления.

Таблица 4.3 – Химический состав (%) и механические свойства

специальных алюминиевых бронз

Сорт	Марка	Al	Fe	Ni	Mn	Cu			НВ
1-й 2-й 3-й	АВВ 3 АВВ 2 АВВ 3	7,0...10,0 8,0...11,0 9,0...12,0	2,0...4,0 3,0...5,0 3,0...5,0	0,5...2,0 0,5...2,0 0,5...2,0	0,5...2,0 0,5...2,0 0,5...2,0	Остальное » »	60 70 70	25 15 10	130 170 210

Фосфористая бронза. Добавка фосфора (0,03…0,35%) в бронзу используется для ее раскисления. Покрытия из этой бронзы обладают хорошей износостойкостью, их наносят на судовые подшипники скольжения. Эту бронзу можно наплавлять и на другие трущиеся детали. Покрытия из фосфористой бронзы имеют красивый светло-коричневый цвет и могут быть использованы также для декоративной отделки. В табл. 4.4 приведены составы и свойства применяющихся фосфористых бронз.

Латуни обладают довольно хорошей коррозионной стойкостью. Они корродируют в морской воде при сравнительно высоких температурах.

Состав морской латуни, которую используют для напыления, приведен в табл. 4.5. Покрытия из этой латуни хорошо противостоят действию морской воды.

Таблица 4.4 – Химический состав (%) и механические свойства

фосфористой бронзы (JISH 3751)

Сорт	Марка	Sn	P	Sn+P+Cu
1-й	PBW1-H	3,0...5,5	0,03...0,35	99,5	654
2-й		5,5...7,0	0,03...0,35	99,5	65...80 85
3-й	PBW3-H	7,0...9,0	0,03...0,35	99,5	95

Таблица 4.5 – Химический состав морской латуни (JISH 3203), %

Сорт	Cu	Sn	Zn	Примеси (меньше)
				Pb	Fe
1-й 2-й	61,0...64,0 59,0...62,0	0,7...1,5 0,5...1,0	Остальное »	0,3 0,2	0,3 0,1

Никель и никелевые сплавы. При проволочном напылении обыч­но используют никель, предназначенный для электронных ламп JISH 4511, VNiW 1, VNiW 2.

Покрытия из никеля используют для защиты от эрозионного воздействия. Кроме этого, никель напыляют в случаях, когда необходимо обеспечить высокую твердость и коррозионную стойкость поверхности. Никель растворяется в азотной кислоте и царской водке. В соляной и серной кислотах он растворяется довольно медленно. Не корродирует в воде и устойчив в большинстве химических соединений.

Нихром. При напылении широко используют нихром: сплав 80% Ni—20% Cr, который практически не окисляется при высокой температуре и хорошо противостоит действию кислот и щелочей. Покрытия из нихрома являются типичными жаростойкими и коррозионно-стойкими. Однако нихром сравнительно легко растворяется в азотной и серной кислотах и быстро разрушается при высокой температуре в атмосфере, содержащей сероводород и сернистый газ (продукты сгорания керосина).

Монель. Состав монеля, предназначенного для практического использования, приведен в табл. 4.6.

Монель обладает высокой коррозионной стойкостью и кислотостойкостью, хорошо противостоит действию соленой воды, в нейтральных и щелочных растворах практически не корродирует (табл. 4.7).

Таблица 4.6 – Химический состав монелей, %

Материал	Ni	Cu	Примеси (меньше)
			Fe	Al	Mn	C	Si
Монель Монель К	63...70 63...70	Остальное »	2,5 2,0	0,5 2-4	2,5 2,0	0,2 0,2	0,25 0,5

Таблица 4.7 – Сопоставление коррозионной стойкости монелей и

коррозионно-стойкой стали SUS 27 (относительное уменьшение массы образцов, г/см²)

Условия испытания	Монель	Коррозионно-стойкая сталь
30%-ная серная кислота Выдержка 10 дней при 80ºС	0,0261	0,1975
10%-ная серная кислота Выдержка 31 день при 26ºС	0,0078	0,2886
10%-ная соляная кислота Выдержка 31 день при 26ºС	0,0381	0,3679
100%-ная соляная кислота Выдержка 20 дней при18ºС	0,098	0,1327

По отношению к слабым кислотам обладает сравнительно хорошими антикоррозионными свойствами [2]. К недостаткам этого сплава следует отнести снижение коррозионной стойкости при его контакте с железом.

Железо и углеродистые стали. Эти материалы являются наиболее распространенными, их напыляют на детали машин для придания им износостойкости. Составы углеродистых сталей, используемых для напыления, приведены в табл. 4.8.

Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали обладают хорошими антикоррозионными и жаростойкими свойствами. Составы их приведены в табл. 4.9. Используемые для напыления коррозионно-стойкие стали, не стандартизированы. Для напыления подходят коррозионно-стойкие стали, которые используют для сварки. Коррозионно-стойкие стали делят на мартенситные, ферритные и аустенитные.

Таблица 4.8 – Химический состав проволок из углеродистой стали, %

Марка	С	Si	Mn	Примеси
				H	S	Cu
SWR 1 SWR 2 SWR 3a SWR 3б SWR 4 SWR 5 SWR 6 SWR 7 SWR 8 SWR 9 SWR 10	0,06...0,09 0,09 0,15 0,15....0,25 0,25...0,35 0,35...0,45 0,45...0,55 0,55...0,65 0,65...0,75 0,75...0,85 0,50...0,60	0,03 0,03 0,35 0,35 0,15...0,25 0,15...0,25 0,15...0,25 0,15...0,25 0,15...0,25 0,15...0,25 0,15...0,25	0,30...0,55 0,30...0,55 0,50 0,50 0,50 0,60 0,60 0,60 0,60 0,60 0,70.....0,90	0,045 0,04 0,06 0,06 0,045 0,045 0,045 0,045 0,030 0,030 0,045	0,045 0,040 0,060 0,050 0,045 0,045 0,045 0,045 0,030 0,030 0,045	- 0,30 - - - - - - - - -

Таблица 4.9 – Химический состав проволок из коррозионно-стойких сталей, %

Марка		C	Ni	Cr	Mo	Si	Mn	Другие элементы
JIS	AISI
						Меньше
SUS 21 SUS 22 SUS 23 SUS 24 SUS 27 SUS 28 SUS 29 SUS 32 SUS 33 SUS 35 SUS36 SUS 37 SUS 38 SUS 39 SUS 40 SUS 41 SUS 42 SUS 43 SUS44	410 403 420 430 304 304L 321 316 316L - - - 405 301 302 309S 310S 347 431	0,12 0,12...0,18 0,25...0,40 0,12 0,08 0,03 0.08 0,08 0,03 0.08 0,03 0,08...0,18 0,08 0,15 0,15 0,08 0,08 0,08 0,20	60,00 60,00 60,00 60,00 8,00...11,00 9,00...13,00 9,00...13,00 10,00...14,0 12,00...16,0 1000...14,0 12,00...16,0 60,00 60,00 6,00...8,00 8,00...11,0 12,00...15,0 19,00...2,00 9,00...13,00 1,25...2,50	12,00...14,0 11,50...13,5 12,00...14,0 16,00...18,0 18,00...20,0 18,00...20,0 17,00...20,0 16,00...18,0 16,00...18,0 17,00...19,0 17,00...19,0 11,5...14,0 11,5...14,0 16,00...18,0 17,00...19,0 22,00...24,0 24,00...26,0 17,00...20,0 15,00...17,0	- - - - - - - 2,00...3,00 2,00...3,00 1,20...2,75 1,20...2,75 0,30...0,60 - - - - - - -	0,75 0,60 0,75 0,75 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 0,60 1,00 1,00 1,00 1,00 1,58 1,00 1,0	1,00 1,00 1,00 2,00 2,00 2,00 2,00 2,00 2,00 2,00 2,00 1,00 1,00 2,00 2,00 2,00 2,00 2,00 1.00	- - - - - - Ti 0,60 - - Cu 1,0…2,5 - - Al 0,1…0,3 - - - - Nb+Ta 1,00 -

Мартенситные коррозионностойкие стали. Мартенситные структуры возникают при быстром охлаждении системы Fe+Cr, находящейся в нагретом состоянии в области или .

На рис 4.1 показано влияние содержания хрома и углерода на закалочную структуру коррозионно-стойкой стали системы Fe-Cr-C. Заштрихованная на рисунке область соответствует таким сочетаниям хрома и углерода в стали, при которых закалочная фаза является мартенситом [3].

А – аустенит; М – мартенсит; F – фосфор; С – карбид

Рисунок 4.1 – Закалочная диаграмма система системы Fe-Cr-C

и диапазон составов, используемых для напыления коррозионно-стойких мартенситных и ферритных сталей (участок, выделенный сплошной

линией). Заштрихованная область соответствует сплавам с закалочной структурой

При высоком содержании углерода покрытия обладают высокой износостойкостью и твердостью, а также хорошей коррозионной стойкостью.

В качестве твердых и износостойких материалов в большинстве случаев используют следующие мартенситные коррозионно-стойкие стали: SUS 44, SUS 51, SUS 54.

Ферритные коррозионно-стойкие стали. В этих сталях по сравнению с мартенситными более высокое содержание хрома, они имеют структуру или фазы. Закаливаемость плохая. Число марок этих сталей незначительно. С увеличением содержания хрома улучшаются антикоррозионные свойства, но снижается стойкость по отношению к неокисляющим кислотам.

Аустенитные коррозионно-стойкие стали. Эти стали представляют собой систему Fe-Cr-Ni или Fe-Cr-Ni-Mn. При обычной температуре имеют структуру фазы. Аустенитные коррозионно-стойкие стали обладают хорошей коррозионной стойкостью и жаростойкостью. Выбор соответствующей марки стали в значительной степени определяется характером рабочей среды, поэтому он должен быть основан на тщательных испытаниях.

Другие материалы. Для защиты от коррозии используют кадмий (чистота выше 99,99%), который обладает лучшими антикоррозионными свойствами, чем чистый цинк. В некоторых специальных случаях наносят покрытия из таких благородных металлов, как золото, платина и др.