9. 4. Напыление

Сущность процесса напыления состоит в нанесении предварительно расплавленного металла на специально подготовленную поверхность детали струёй газа или сжатого воздуха. Частицы металла в расплавленном состоянии с большой скоростью ударяются о поверхность, при этом они деформируются, внедряясь в ее поры и неровности, образуют покрытие. Соединение частиц металла с поверхностью носит в основном механический характер и в отдельных точках происходит сваривание.

Достоинства способа:

• высокая производительность;

• небольшой нагрев детали (120 – 180 ⁰С);

• высокая износостойкость покрытия;

• относительная простота техпроцесса и применяемого оборудования;

• возможность нанесения покрытий любой толщины из любых материалов.

Недостатки:

• низкая механическая прочность покрытия;

• низкая прочность сцепления с основой.

Способы напыления: газопламенное; электродуговое; высокочастотное (ТВЧ); детонационное; плазменное; ионно-плазменное.

Физико-механические свойства покрытия.

Структура металла отличается от исходного материала. В ней присутствуют окислы в виде отдельных включений и сплошных прослоек; имеются поры и шлаковые включения; граница соединения покрытия с основным материалом четко очерчена; металл покрытия не диффундирует в основной металл детали.

Твердость покрытия выше твердости исходного металла, так как частицы вследствие быстрого охлаждения закаливаются и получают наклеп при ударе о поверхность детали.

Износостойкость покрытия в условиях сухого трения низкая, так как происходит не истирание материала, а его разрушение по границам зерен. При трении со смазкой обладают высокой износостойкостью благодаря повышенной твердости и пористости покрытия.

Механическая прочность покрытия незначительна, поэтому не допускаются местные динамические нагрузки. Разрушение покрытия происходит только в результате деформаций, превышающих предел упругости основного материала.

Прочность сцепления покрытий с основой зависит от качества подготовки поверхности, от свойств металлов, температуры напыляемой поверхности и режима напыления.

Технология нанесения покрытий

Техпроцесс включает следующие этапы:

• подготовку детали к напылению;

• нанесение покрытия;

• обработку после напыления.

Подготовка служит для обеспечения прочного сцепления покрытия с поверхностью. Включает в себя:

 обезжиривание, мойку и очистку детали от загрязнений;

 предварительную механическую обработку и создание определенной шероховатости, для чего применяют дробеструйную обработку или накатывание зубчатым роликом;

- напыление подслоя для увеличения прочности сцепления покрытия.

При мойке деталей поверхности шпоночных пазов, отверстия для смазки должны тщательно очищаться, промываться и обдуваться сжатым воздухом. Для чугунных деталей очистка пор от масла производится нагреванием их в печи (или паяльной лампой) при температуре 200-250 °С до прекращения выделения дыма.

Предварительная механическая обработка предназначена для удаления продуктов коррозии, устранение овальности, эксцентричности, конусности, появляющихся на поверхности в результате износа. Протачиваются замыкающие буртики на краях напыляемой поверхности. Уменьшается диаметр для обеспечения возможности нанесения покрытия с минимально допустимой толщиной слоя (0,5 - 0,7 мм для наружных поверхностей).

При растачивании внутренних поверхностей следует учитывать, что чем тоньше покрытие, тем легче обеспечить достаточную прочность его сцепления с основным металлом.

Прочность сцепления напыляемого слоя с поверхностью детали зависит от шероховатости последней. При ремонте используются следующие операции создания требуемых шероховатостей: нарезание "рваной" резьбы, нанесение "косой сетчатой" накатки (рис. 44), нарезание кольцевых канавок с обкаткой их вершин, электроискровая обработка, дробеструйная обработка.

Рис. 44. Приспособление для накатки поверхности:

а- общий вид приспособления: 1 - суппорт, 2 - оправка, 3 - верхняя часть рамы, 4 - нижняя часть рамы, 5 - крепежные болты, 6 - де­таль. 7 - нажимная плита, 8 - болт, 9 – ролик; б - обработанная поверхность, в - накатной ролик

Обезжиривание поверхностей производят в ваннах с раствором каустической соды.

Напыление подслоя молибдена выполняют при подготовке к восстановлению плоских поверхностей и цилиндрических, с углом обхвата менее 180°. Сущность способа состоит в том, что распыленные частицы молибдена достигают напыляемой поверхности, сохраняя высокую температуру, и оплавляют металл напыляемого изделия, образуя с ним микросварные соединения. Получается тонкий слой молибдена, характеризующийся сравнительно большой шероховатостью, необходимой для прочного сцепления напыляемых частиц.

Дробеструйная обработка производится металлическим песком, стальной крошкой или колотой чугунной дробью с острыми краями.

Рис. 45. Схема устройства для получения воздушно-абразивной смеси при дробеструйной обработке:

1 - пескоструйная камера; 2 - поддон; 3 -- конус; 4 - металлообразивная смесь; 5 - перепускной клапан; 6 - бункер; 7 - трубопровод; 8 - питательный клапан; 9 - трубопровод; 10 - подача воздуха для создания давления абрази­ва; 11 - подача воздуха для заполнения бункера; 12 - рабочее сопло распылителя

Наибольшее применение получили установки нагнетательного типа с замкнутым кругооборотом металлического песка. На рис. 45 показана схема устройства для образования воздушно-абразивной смеси при дробеструйной обработке с замкнутым кругооборотом абразива.

Технические условия для обеспечения нормальной работы установки следующие:

гранулы металлического песка, мм 0,8 - 1,0;

давление сжатого воздуха, кг/см² 6 - 7;

расход сжатого воздуха, м/мин 1,2 - 1,5;

расстояние от сопла до детали, мм 100 - 150.

По трубопроводу 7 сжатый воздух из бункера 6 совместно с абразивом подается в питательный клапан 8, откуда по трубопроводу 9 воздушно-абразивная смесь поступает в рабочее сопло распылителя 12.

Нанесение покрытия производится на переоборудованных токарных станках или в специальных камерах, оснащенных механизмами перемещения детали и установки для напыления. Пост напыления оборудуется вытяжной вентиляцией.

Обработка после напыления:

 деталь медленно охлаждают до температуры окружающей среды;

 окончательная обработка в зависимости от требуемой точности и шероховатости обеспечивается резанием лезвийными или абразивными инструментами.

Газопламенное напыление

Осуществляется ацетиленокислородным пламенем (рис. 46). Напыляемые материалы – проволока и металлические порошки.

Распыление происходит струей сжатого воздуха.

Преимущества:

• Рис. 46. Схема газопламенного напыления:

  1 – кислород и горючий газ; 2 – транспортирующий газ; 3 – напыляемый порошок; 4 – сопло; 5 – факел газового пламени; 6 – напыленное покрытие; 7 – поверхность детали

  малое окисление материала;

• мелкое распыление материала;

• хорошая сцепляемость покрытий с основой.

Недостаток: малая производительность процесса

(2 – 3 кг/ч).

Электродуговое напыление

Плавление металла осуществляется электрической дугой, горящей между двумя проволоками. Распыление происходит струей сжатого воздуха (рис. 47).

Преимущество способа: высокая производительность.

Недостатки:

• Рис. 47. Схема электродугового напыления

  повышенное окисление металла;

• выгорание легирующих элементов;

• пониженная плотность покрытия.

Высокочастотное напыление (рис. 48).

Д анный способ основан на использовании принципа индукционного нагрева при плавлении исходного материала. Распыление производится струёй сжатого воздуха. Концентратор тока обеспечивает плавление проволоки на небольшом участке.

Достоинства:

Рис. 48. Схема высокочастотного напыления:

1 – напыляемая поверхность; 2 – газометаллическая струя; 3 – концентратор тока; 4 – индуктор; 5 – воздушный канал; 6 – проволока; 7 – подающие ролики; 8 – направляющая втулка

- небольшое окисление материала;

- высокая механическая прочность покрытия.

Недостатки:

• невысокая производительность;

• сложность и высокая стоимость оборудования.

Детонационное напыление.

Расплавление материала и перенос его на поверхность детали происходят за счет энергии взрыва смеси ацетилена и кислорода, подаваемой во взрывную камеру в определенном соотношении. В состав оборудования входят пушка детонационная, защитная звукоизолированная камера, манипулятор для перемещения деталей, стойка управления.

В камеру с помощью струи азота вводится напыляемый порошок и газовая смесь поджигается свечой. Взрывная волна сообщает частицам большую скорость. При ударе о деталь кинетическая энергия переходит в тепловую. Порошок разогревается до 4 000⁰С. После нанесения каждой дозы ствол аппарата продувается для удаления продуктов горения.

 

Рис. 49. Общий вид и схема установки для детонационного напыления:

1 – электрическая свеча; 2 и 8 – подача кислорода и ацетилена; 3- сжатый азот; 4 – металлический порошок; 5 – водоохлаждаемый ствол; 6 – напыленный материал; 7 – камера сгорания

Достоинства:

• большая производительность;

• высокая прочность сцепления покрытия;

• небольшая температура на поверхности детали.

Детонационно-газовое напыление является наиболее эффективным способом увеличения ресурса работы деталей и узлов, работающих в условиях повышенных нагрузок, интенсивного изнашивания, воздействия высоких температур и агрессивных сред. Применение детонационно-газового способа напыления обеспечивает экономию материальных средств за счет увеличения срока службы узлов и механизмов, замены дорогостоящих конструкционных материалов более дешевыми.

 Этот способ позволяет получать высококачественные, практически беспористые покрытия с высоким уровнем адгезии с материалом основы. С его помощью можно улучшить и даже полностью изменить поверхностные свойства деталей, получить заранее прогнозируемые свойства поверхности, с тем, чтобы наилучшим образом удовлетворить условиям эксплуатации деталей машин, приборов и механизмов.

 Детонационно-газовый способ позволяет наносить покрытия из металлов, окислов тугоплавких соединений, из механических смесей плакированных и композиционных порошков. Применение различных порошков дает возможность получать износостойкие, коррозионностой-кие, электроизоляционные, фрикционные, антифрикционные, жаростойкие, со специальными свойствами, электропроводящие покрытия, а также покрытия, работающие в условиях агрессивных сред. Во многих случаях покрытия могут обладать несколькими из перечисленных свойств.

Недостатки:

• высокий уровень шума,

• большой расход рабочих газов,

• ограниченный срок службы сверхзвукового сопла.

Детонационные покрытия обеспечивают повышение эксплуатационных свойств и ресурса работы узлов, машин и механизмов, восстанавливают изношенные детали (до 1 мм на сторону).

Процесс напыления осуществляется циклически (4-10 циклов/с.). Из ствола детонационной пушки происходит истечение с большой скоростью высокотемпературного газового потока продуктов детонации, вызывающего нагрев и ускорение частиц порошка напыляемого материала.

Материалы покрытий: металлы и их оксиды, карбиды, бориды, нитриды; твердые сплавы; композитные порошки.

Напыляемые детали:

основа ........................металлы, сплавы, керамика;

диаметр, мм ................................................10 - 300;

длина, мм .......................................................3000;

масса, кг ......................................................до 300.

Характеристика покрытий:

прочность сцепления, МПа ........................до 200;

пористость, %..............................................0,5 - 2,0;

рабочая толщина, мм ..................................до 2,0.

Примеры использования детонационного напыления.

Днища поршней и поверхности камер сгорания - материал покрытия: Al₂O₃, Al - Ni. Срок службы повышается в 2 - 3 раза.

Распредвалы, рычаг толкателя (упрочнение и восстановление) - материал покрытия: WC+15 - 20 % Со. Ресурс работы увеличивается в 2 раза.

Коленвалы (упрочнение и восстановление) - материал покрытия: Al₂O₃, НХ16С3Р4. Ресурс работы увеличивается в 2 - 5 раз

Плазменное напыление.

Для расплавления и переноса металла используются тепловые и динамические свойства плазменной струи.

При напылении в качестве плазмообразующего газа используется азот с температурой плазмы 10 000…15 000˚⁰С, имеющий высокое теплосодержание.

Напыляемый материал – проволока или порошок.

Достоинства:

• высокая производительность (до 12 кг/ч);

• высокая прочность сцепления;

• возможность нанесения покрытий из любых материалов и сплавов;

• малое окисление напыляемого материала.

Ионно-плазменное напыление.

Осуществляется в вакууме, где напыляемый металл за счет тепла электрической дуги переводится в плазменное состояние. Положительно заряженные частицы металлической плазмы с большой скоростью перемещаются в электрическом поле к поверхности детали (катоды) и образуют покрытие. В вакуумную камеру вводится реакционный газ (азот или углеводород), за счет взаимодействия с ним частиц металлической плазмы улучшаются свойства покрытия.

Виды ионно-плазменного покрытия:

1. способ термического испарения (газофазный способ);

2. катодного или ионно-плазменного распыления, путем бомбардировки поверхности ионами осаждаемого вещества (метод КИБ – конденсация с ионной бомбардировкой), схема которого показана на рис. 50.

В зависимости от состава реакционного газа покрытие будет состоять из нитридных или карбидных соединений.

Материалы покрытий:

• карбид титана TiC;

• нитрид титана TiN;

• оксид алюминия Al₂O_3.

Рис. 50. Схема ионно-плазменного напыления:

1 – к вакуумному насосу; 2 – стол; 3 – катод; 4 – вакуумная камера; 5 – соленоид для ускорения плазмы; 6 – крышка вакуумной камеры; 7 – кассета с деталями; 8 – деталь; 9 – кольцеобразный анод; 10 – электрод поджига; 11 – реактивный газ; 12 – электромагнитный вибратор

Газофазный способ

Для нанесения покрытий используют специальные установки, в которых в вакууме при высокой температуре (до 1 000 ˚С) на поверхность детали осаждается из газовой среды карбид титана.

Позволяет наносить износостойкие покрытия толщиной 3 - 10 мкм.

Применяется для деталей, материалы которых не теряют свойств при высоких температурах (в ремонте встречается мало, чаще для инструментальных материалов).