34. Перечислите основные виды материалов для напыления.

В качестве напыляемых материалов для электродугового напыления применяют компактную или порошковую проволоку. Материалом компактной проволоки служат: цинк, алюминий, медь, бронза, латунь, углеродистая и нержавеющая стали и др. Для нанесения износостойких покрытий широко применяют углеродистую или пружинную проволоку, а также легированные (в том числе нержавеющие) стали. Возможна комбинация из проволок с различными материалами.

Напыляемый материал при плазменном напылении – порошок, проволока, шнур или их комбинация. При напылении порошковых или шнуровых материалов электрическое напряжение прилагают к электродам плазменной горелки. При напылении проволочных материалов напряжение подводят к электродам горелки, дополнительно оно может быть приложено к напыляемому материалу, т.е. проволока может быть токоведущей или нет. Порошки для плазменного напыления не должны создавать зазоры в транспортных трубопроводах, а должны равномерно подаваться в плазменную струю и свободно перемещаться с газовым потоком. Этим требованиям удовлетворяют частицы порошка сферической формы диаметром 20…100 мкм.

Разработаны порошковые проволоки, состоящие из стальной оболочки и порошкового наполнителя. Эти материалы предназначены для нанесения износо- и коррозионно-стойких покрытий способами газопламенного, электродугового и плазменного напыления. Особенностью материалов является возможность амортизации структуры напыляемых покрытий. Наличие аморфной составляющей в структуре покрытий обеспечивает комплекс повышенных служебных свойств (износо- и коррозиестойкости, прочности соединения с основой).

При детонационном напылении, как и при газопламенном, применяют металлические, оксидо-керамические, композитные и другие порошки. Порошки не должны реагировать с продуктами сгорания. Средний размер частиц порошка 10…50 мкм.

Наиболее часто при вакуумном напылении используют компактные материалы в виде стержней, проволоки, таблеток, дисков и диспергированных материалов в форме порошком, граниул и др

35. Перечислите основные виды оборудования для напыления.

Детонационное напыление

Установка детонационного напыления включает водоох-лаждаемый закрытый с одного конца ствол 5 длиной 1200...2000 мм и диаметром 8...40 мм. Внутренняя полость ствола вблизи торцовой стенки образует взрывную камеру 3. В ее стенке установлено запальное устрой­ство 2 и клапанное устройство для подачи горючего и окислительного газов. В торце ствола имеется порошковый питатель 1. На расстоянии 150...200 мм от среза ствола перпендикулярно к оси располагают восста­навливаемую поверхность детали. В установке имеется камера смешивания горючих газов с окислите­лем. Смешивание газов необходимо для равномерного распределения газовой смеси вдоль ствола. Газовые потоки в камере смешивания дви­жутся под углом друг другу или закручиваются.

Рис. 3.35. Схема установки для детонационного напыления:

а — базовой; б - усовершенствованной; / - порошковый питатель; 2 - запальное устройство; 3 - взрывная камера; 4 - смесительная камера; 5 - водоохлаждаемый ствол; б- покрытие; 7- восстанавливаемая деталь

Предусмотрено устройство, исключающее обратные удары из дето­национной камеры в коммуникации и агрегаты установки.

Для зажигания горючей смеси достаточно энергии 910Л..10"⁶ Дж. Обычно применяют автомобильные свечи, воспроизводящие индукцион­ную искру с энергией 0,05...0,20 Дж. Установка оснащена системой полуавтоматического или автомати­ческого управления.

Установка работает следующим образом. С помощью транспортирующего газа (азота или воздуха) во взрыв­ную камеру подают порцию порошка массой 50...200 мг, а через клапан­ное устройство под давлением 0,12...0,20 МПа - горючую смесь (ацети­лен - кислород или пропан-бутан - кислород). В качестве горючих газов можно также применять водород, метан (природный газ) и другие углеводороды. Окислителем может быть и воздух. Между электродами за­пального устройства инициируют электрическую искру, к-ая поджи­гает горючую смесь.

В начале процесс горения смеси горючий газ - кислород протекает со сравнительно небольшой скоростью. Горение горючих газов под атмо­сферным давлением в окислительной среде (воздухе или кислороде) в ламинарном или турбулентном режиме сопровождается как непрерыв­ным расширением и перемещением его продуктов со скоростью до 10... 15 м/с, так и сжатием несгоревшей газовой среды за фронтом пламе­ни. Это сжатие в ограниченном объеме и теплопередача от очага горения к несгоревшей части смеси повышают температуру и давление этой части смеси. При достижении критических значений этих величин газовая сре­да самовоспламеняется и сгорает со скоростью взрыва. Данное явление представляет собой детонацию.

Детонационные покрытия наносят с помощью установок «Днепр-2» «Днепр-3».

Технические характеристики автоматического детонационного комплекса АДК-1М

Производительность, кг/ч....................... 1,1... 5,3

Потребляемая мощность, Вт, не более............ 300

Температура рабочей смеси, °С................. 3500

Давление рабочей среды, МПа.................. 0,12

Скорострельность, с~.......................... 2...5

Инициирование............................... Форкамерное

Коэффициент использования порошков, %........ 50...60

Толщина покрытия на один цикл, мкм............ 8... 15

Детонационное оборудование имеет большие габаритные размеры, его производительность невысокая, стоимость нанесения покрытия большая. Уровень шума при работе детонационной установки 125... 140 дБ, поэтому ее устанавливают в отдельном помещении со звукоизо­лирующими стенами. Оператор управляет процессом, находясь за стеной. В выхлопных газах наблюдается повышенное содержание оксидов угле­рода, азота и других веществ.

Электродуговое напыление

Используют металлизаторы мощностью 5... 20 кВт, потребляющие ток силой 80...600 А при напряжении 18...36 В. Выпускают аппараты для электродугового напыления стационарные (станочные) ЭМ-6, ЭМ-12 и МЭС-1 и переносные (ручные) ЭМ-3, РЭМ-ЗА, ЭМ-9 и ЭМ-10. В странах СНГ наиболее распространены дуго­вые металлизаторы ЭМ-12, ЭМ-14 и ЭМ-15. Краткие технические харак­теристики их приведены в табл. 3.66.

Применяют источники постоянного тока с жесткой вольт-амперной характеристикой: ВС-300, ВСЖ-303, ВДГ-302, ВС-600, ВДГ-601, ВДУ-504, ВДУ-1001, ГД-502. Научно-производственная фирма «Плазма-центр» выпускает установку для электродугового на­пыления КДМ-2, оснащенную источником тока ТИМЕЗ и электродуговым металлизатором ЭМ-14М.

Характеристики металлизаторов

Установка УД-609.01 Ремдеталь с металлизатором ЭМГ-2 предназначена для нанесения покры­тий на шейки валов, а установка УД-609.10 Ремдеталь с источником пи­тания ВДУ-506 - для нанесения покрытий на плоские детали.

Для повышения прочности соединения покрытия с основой создате­ли новых аппаратов для напыления материалов стремятся повысить ско­рость частиц нагретого металла и защитить их от влияния кислорода и азота воздуха. При распылении металла сжатым воздухом содержание углерода, например, в напыляемом материале уменьшается почти в 3 раза.

Рис. Комплект электродугового напыления КДМ-2:

/ - источник тока; 2 - аппарат ЭМ-14М; 3 - пульт управления; 4 - кассетный блок; 5 - блок дистанционного управления; б — вольтметр; 7 и 8 - световоды; 9 - амперметр; 10 - манометр; 11 - кран; 12 - кабель; 13 - тумблер «Дуга»; 14 - пакетный выключатель

Частицы металла будущего покрытия при электродуговом напыле­нии могут быть защищены от кислорода и азота воздуха стенкой продук­тов сгорания газообразного или жидкого топлива либо вдуванием горю­чего газа (пропана или природного газа) в зону горения дуги. Жидкий металл в последнем случае распыляют не струей сжатого воздуха, а про­дуктами сгорания, разогретыми до температуры 2000...2300 К.

Изменением расходов горючего газа и воздуха можно создавать нейтральную или восстановительную среду в зоне плавления проволоч­ных материалов и тем самым снизить их окисление и выгорание леги­рующих элементов. Так, при использовании защитно-восстановительной среды количество углерода в покрытии, полученном из проволок У10А и 40X13, практически не отличается от его содержания в исходной прово­локе.

Газопламенное напыления

Для газопламенного напыления выпускается много образцов горе­лок и оборудования.

Аппараты, использующие в качестве материала проволоку, следую­щие. Горелки типа МГИ выпускаются Барнаульским аппаратно-механи-ческим заводом. Горелка МГИ-4 инжекторного типа снабжена воздушной турбиной и регулятором скорости подачи проволоки, горелка МГИ-4А работает на смеси ацетилена и кислорода, горелка МГИ-4П - на смеси пропан-бутана и кислорода. Станочный аппарат с программным управле­нием МГИ-5 имеет массу 136 кг. Аппарат УГПНпр массой 3 кг с элек­трическим приводом выпускает НИИТавтопром.

А ппараты, использующие в качестве материала порошки, следую­щие. Аппараты предна­значены для работы: УГПЛ - с цинком и пластмассами, УГПЛ-П - с тер­мопластическими полимерами, УГПНпор - с различными порошками. Аппараты 01.02-11, 021-3 и 021-4 . Аппараты ГН-2П-02 и ГН-ЗП-02 функционируют на пропан-бутане и кислороде.

Производится аппараты УПТР-1-78 и УПТР-1-85 и аппараты УПТР-86, УГПН-П, УГПН-У. Ин­ститут электросварки им. Е.О. Патона выпускает аппараты Л5405, У-Н-Ши УГПН-005.

По мощности пламени газовые горелки подразделяются на микро­мощные (до 60 л/ч), малой (до 700 л/ч), средней (до 2500 л/ч) и большой мощности (до 7000 л/ч), а по степени механизации - на ручные и машин­ные. В зависимости от способа подачи горючего газа горелки делят на инжекторные и безинжекторные. Активирование газопламенного напыления обеспечивается эффек­тивным теплообменом между пламенем и материалом, а также качест­венным смешением рабочих газов.

Высокое качество покрытий, нанесенных газопламенным напылени­ем, дает термораспылительная проволочная установка «Терко», разрабо­танная в Институте надежности машин НАН Беларуси. Эта установка демонстрирует также надежную работу. В комплект установки (рис. 3.33) входят: термораспылительный пистолет, малогабаритный блок управле­ния подачей рабочих газов, блок управления электроприводом подачи проволоки, распылительные головки для работы на различных горючих газах (ацетилене или пропан-бутане).

Термораспылительный пистолет «Терко» позволяет активировать процесс напыления материала. Кроме того, в отличие от других устано­вок в механизм подачи проволоки установки «Терко» встроен электро­привод, а не воздушная турбина, что значительно повышает точность регулирования скорости транспортировки проволоки. Используется де­шевый горючий газ - пропан-бутан. Установка снабжена быстросъемны-ми разъемами типа байонет, имеет трехступенчатую защиту от обратных ударов пламени, легко транспортируется (общая масса со шлангами 14,6 кг).

С помощью установки «Терко» наносят покрытия из проволочных и прутковых материалов диаметром 1,6...3,5 мм с производительностью до 6 кг/ч. Малое количество хрупких оксидов, значительное ко­личество интерметалл и дов, образование закалочных структур и доста­точно высокая пластичность напыленного слоя создают предпосылки для применения покрытий в новых условиях работы и расширения области их распространения. Стальные покрытия имеют пористость 2...4 %, плот­ность покрытий из алюминиевых сплавов практически приближается к плотности литого материала. Прочность соединения покрытия с основой составляет > 30 МПа.

Плазменное напыление

Плазменные покрытия наносят на воздухе, в специальном шкафу-камере с вытяжной вентиляцией или герметичной камере с контролируемой атмосферой, чаще всего нейтральной. Оборудование для получения плазменной струи и регулирование ее техно­логических параметров во всех случаях аналогично. Все оборудо­вание о целом образует установку. Функциональная схема установки плазменного напыления показана на рис.1.

Рис. Схема установки плазменного напыления:

1 – электрическая сеть; 2 – источник постоянного тока; 3 – система охлаждения; 4 – система подачи плазмообразующего газа; 5 – источник, транспортирующий порошок; 6 – порошковый бункер-питатель; 7 – пульт управления; 8 – плазмотрон; 9 – напыляемая деталь; 10 – электромеханическая система перемещения детали.

Основным рабочим элементом является плазмотрон, генерирующий сжатую дугу косвенного действия. Напыляемый порошок подается транспортирующим газом из бункера-питателя в канал сопла. Система охлаждения плазмотрона может быть разомкнутой (охлаждающая вода поступает на слив) и замкнутой с теплообмен­ником. Последняя обеспечивает наибольшую эффективность охлаждения, особенно при использовании холодильного агрегата. Деталь перемещается с помощью электромеханической системы. Все системы установки коммутируются на пульт управления, обеспечивающий регулирование, управление и контроль парамет­ров режима плазменного напыления.

В качестве источников питания используют выпрямители ти­па ИПН-160/600, ВПН-315, ВПН-600, ВПР-402 и др. Напряжение холостого хода не ниже 160 В. Рабочее напряжение зависит от рода и расхода плазмообразующего газа, геометрии рабочего канала сопла. При работе плазмотрона на Ar и расходе плазмообразующего газа 30 - 40 л/мин оно может быть в пределах 35 - 50 В, для расхода 8 - 150 л/мин смеси N₂ + H₂ напряжение может достигать 150 В и выше.

Для нанесения плазменных покрытий широко прим-ся такие установки, как УПУ-3Д, УМП-6, "Киев-7".

Установка УПУ-3Д поставляется в комплекте с источником питания ИПН-160/600, предназначенным для питания силовой цепи как при металлизации проволокой с использованием аргон в качестве плазмообразующего газа, так и при нанесении покрытий из порошковых материалов. Она укомплектована плазмотроном ГН-5М для распыления проволоки и плазмотроном ГН-5Р для нанесения порошка. В кач-ве плазмообразующих газов применяют аргон, азот, гелий, водород и их смеси.

Установка УМП-6 предназначена для ручного и механизированного нанесения покрытий и наплавки только порошковыми материалами. В качестве рабочих газов применяют азот и смеси азота, аргона и гелия с водородом. В установки применены конструкция соплового вкладыша, не требующего уплотнения соплового канала, с поворотом плазменной струи на 45 ˚, система для нанесения покрытий на внутренние поверхности деталей диаметром до 35 мм. Установка укомплектована источниками питания – тремя преобразователями ПД-502. комбинируя включение преобразователей, можно получать напряжение, необходимое для работы плазматрона на заданном режиме.

Универсальная установка “Киев-7” состоит из источника питания, плазмотрона, газоприготовительной станции и порошкового дозатора дискового типа. В качестве плазмообразующих газов применяют смесь сжатого воздуха с природным газом либо смесь сжатого воздуха с пропан-бутаном. Поскольку использование воздуха как плазмообразующего газа приводит к быстрому сгоранию вольфрама, то в качестве катода применена более стойкая к воздействию воздуха циркониевая вставка от плазменного резака ВПР-11.

Установки для вакуумного напыления

Установки для вакуумного напыления покрытий классифицируются по ряду признаков. В зависимости от режима работы и установки бывают периодического или полунепрерывного действия. Ось рабочей камеры располагается вертикально и горизонтально. По структурному строению установки делятся на одно- и многопозиционные. Средства откачки среды бывают масляные и безмасляные, низко- и высоковакуумные, а типы распылительных устройств - термического распыления, взрывного дугового испарения-распыления, ионного распыления, комбинированные. Применяют несколько типов установок, различаю­щихся между собой способом нагрева испаряемого материала. К ним от­носятся установки с резистивными, электронно-лучевыми, высокочастотными индукционными и дуговыми испарителями.

Основные части установки: вакуумная система, включающая рабо­чую камеру; средства откачки; испарительные или распылительные уст­ройства - генераторы потока напыляемых частиц; система электропита­ния; системы питания рабочим газом, водяного охлаждения и подогрева; транспортирующее устройство; система контроля и управления. Техни­ческий уровень установки определяет качество покрытий, производительность процесса, коэффициент использования энергии и др.

Наибольшее распространение получила установка типа ВУ-1Б. На рис. приведена схема установки с одним испарителем.

Базовым элементом установки является камера 6 с водяным змеевиком. Откаточный насос 10 обеспечивает в камере вакуум до 10 ^-2 Па. Для вымораживания паров масла предусмотрена азотная ловушка 11. Дуговой разряд возбуждается между водоохлаждаемым анодом 3 и распыляемым материалом - катодом 4. Для первоначального возбуждения дуги служит вспомогательный электрод 2. Электродуговой ускоритель плазмы работает от силового специализированного источника постоянного тока 3. Для экстракции ионов из плазменного потока и их ускорения в направлении напыляемого изделия использован высоковольтный источник питания 1, а от него на напыляемое изделие 7 подается отрицательное смещение от десятков вольт до 2...3 кВт. В более совершенных установках предусмотрено несколько испарителей (до шести).

Электромагнитные катушки играют роль стабилизатора катодного пятна на заданной поверхности распыляемого мат-ла, фокусировки и ускорения потока напыляемых частиц, отклонения потока заряженных частиц с целью сепарации потока.

Установка снабжена устройством для автоматического напуска газа 9. Атмосфера камеры контролируется масс-спектрометром 8. Благода­ря этому имеется возможность создания плазменных потоков с регули­руемой долей ионов различных элементов.

Установки для вакуумного напыления бывают периодического, полунепрерывного и непрерывного действия.

Применение установок периодического действия целесообразно в единичном и мелкосерийном производстве, а также при групповой обработке мелких по размерам однотипных изделий (интегральных схем, режущего инструмента и др.).

Большая часть времени затрачивается на откачку среды из камеры и другие вспомогательные операции. Стремление повысить производительность процесса обусловило применение дополнительных устройств.

Установки для вакуумного напыления покрытий полунепрерывного действия оснащены одной или несколькими шлюзовыми камерами, отде­ленными от рабочих камер вакуумными затворами.

Установки непрерывного действия дают наибольшую производительность процесса, хотя довольно сложны. Непрерывная подача напыляемых изделий в рабочую камеру устраняет необходимость в останове испарителя, вакуумной системы и сообщения рабочей камеры с атмосферой. Эффективность установок может быть обеспечена лишь в условиях крупносерийного или массового производства.