27 Вопрос:

Газотермическое напыление металла

Эталон ответа:

Способ газотермического напыления находит широкое применение при восстановлении базовых деталей автомобилей (картера маховика, маховика, валов трансмиссии, деталей двигателя и т.д.) путем создания износостойких, жаропрочных, коррозионностойких, теплоизоляционных и других покрытий. Для формирования покрытий используются стали, цветные металлы и сплавы, бориды, нитриды и т.д. Толщина покрытия обычно составляет 100...500 мкм.

Суть процесса газотермического напыления состоит в том, что исходный материал покрытия (проволока или порошок) нагревается до жидкого или пластичного состояния, а затем распыляется газовой струей под давлением 0,6 МПа. Таким образом, напыляемый материал поступает на обрабатываемую поверхность в виде потока жидких капель или пластифицированных частиц, при соударении с поверхностью детали закрепляется на ней и образует покрытие.

Различают электродуговое, газопламенное, плазменное и высокочастотное напыление — в зависимости от источника тепловой энергии. Преимущества и недостатки каждого из этих способов представлены в сравнительной таблице 1.

Таблица 1 - Преимущества и недостатки газотермического напыления различных видов

Вид	Преимущества	Недостатки
Электро- дуговое Газо­ пламенное Плазмен­ ное Высоко­ частотное	Достаточно высокая произ­водительность; простота установки Высокая дисперсность рас­пыляемых частиц; независи­мость от источника тока; простота обслуживания; низ­кая стоимость оборудования Возможность получения покрытия из тугоплавких и износостойких материалов, в том числе из твердых сплавов Малое выгорание легирую­щих элементов; однород­ность и прочность покрытия; высокая производительность	Повышенное окисление металла и выгорание легирующих элементов Малая производитель­ность; высокая стоимость напыляемых материалов Дефицитность присадоч­ных материалов; относи­тельно высокая стоимость Сложность оборудования; возможность выполнения только стационарных работ из-за высокой энергоем­кости оборудования

В установках электродугового напыления в качестве исходного материала используется только проволока, для газопламенного и плазменного напыления применяются как проволока, так и порошок.

Для восстановления стальных и чугунных деталей в основном используется стальная проволока диаметром 0,8... 3,0 мм с содержанием углерода 0,3...0,8 %. Проволока из алюминиевой бронзы применяется для получения антифрикционных покрытий ответственных подшипников скольжения. Для антикоррозионных покрытий используется цинковая, алюминиевая и стальная проволока.

Основные требования к порошкам: частицы должны иметь сферическую форму и хорошую сыпучесть, должны легко подаваться питателем в плазматрон. Размер частиц 25... 150 мкм. Более мелкие частицы не обладают достаточной кинетической энергией для образования при ударе прочной связи с обрабатываемой поверхностью, а более крупные (более 150 мкм) не успевают прогреться, что также не способствует образованию прочной связи с подложкой. Максимальная температура при газопламенном напылении составляет 1 800...3 500 К, при электродутовом и плазменном —7500.. .2000 К. Скорость частиц напыляемого металла при газо-пламенной обработке составляет 50... 100 м/с, при электродуговой — 60...2500 м/с, при плазменной — 100...400 м/с.

Во всех процессах газотермического напыления в высокотемпературном потоке газа напыляемый материал нагревается, плавится (или пластифицируется) и в виде потока жидких капель после ускорения и распыления при соударении с обрабатываемой поверхностью формирует покрытие. Проволочный материал при этом поступает в высокотемпературный поток газов в расплавленном состоянии, а порошок — в твердом состоянии. Струя сжатого воздуха распыляет каплю расплавленного металла на мельчайшие частицы, сообщает им значительные ускорения, под действием которых частицы разгоняются и формируются. В полете они распределяются в определенном порядке по сечению струи, и по центру потока сосредотачиваются самые крупные фракции наименее окисленных распыленных частиц. Наиболее интенсивное напыление происходит по центру потока, где достигается наилучшее сцепление с основой, минимальная пористость и окисление частиц.

При соударении с обрабатываемой поверхностью жидкие или пластифицированные частицы с поверхностной окисной пленкой частично разрушаются и происходит разбрызгивание жидкого ядра. Частицы, отвердевшие до удара, не разрушаются, что при формировании покрытия приводит к появлению в нем микроструктур и микропор, образованных газовыми пузырями.

Напыление происходит на практически холодную подложку, поэтому при охлаждении частиц (капель) напыляемого слоя в них возникают внутренние («усадочные») напряжения. Само сцепление частиц покрытия происходит за счет механического сцепления, адгезии, частичной сварки и действия внутренних напряжений («усадочных» сил).

Важное значение при этом имеет обеспечение комплекса физико-механических характеристик покрытия, отвечающих условиям эксплуатации восстановленных деталей. Все покрытия должны иметь высокую прочность сцепления с подложкой и не отслаиваться в процесс работы детали в узле.

Как показали исследования и опыт эксплуатации, прочность на отрыв напыленных слоев низка по сравнению со сварными соединениями и составляет 5...80 МПа. Плазменная металлизация позволяет получить более надежное сцепление покрытия с подложкой.

Толщина покрытия обычно не превышает 1 мм, так как с увеличением толщины внутренние напряжения растут, что приводит к отслаиванию покрытия.

Материал покрытия обычно тверже, чем подложка. Это объясняется закалкой частиц, их наклепом при ударе о поверхность и наличием в слое окисных пленок.

Плотность и пористость напыленных стальных покрытий обычно составляет 80...97 %, покрытий на основе алюминия и циркония —10.. .15%; покрытия из самофлюсующихся сплавов на основе никеля могут иметь пористость менее 2 %.

В условиях сухого трения плазменные покрытия не работают, так как износ покрытий в 2—3 раза превышает износ обычных материалов. Но в условиях жидкостного и граничного трения покрытия имеют сильную взаимосвязь с твердостью и низкий коэффициент трения. При этом смазка легко распространяется по поверхности покрытия, прочно на ней удерживается и заполняет поры. Таким образом, наблюдается эффект самосмазывания покрытия. При недостаточной подаче смазки или при ее временном прекращении заедание наступает значительно позже по сравнению с неметаллизированной поверхностью.

В условиях абразивного износа высокую стойкость имеют покрытия из самофлюсуюгцихся сплавов на основе никеля и алюминия. В частности, износостойкость первых в 3,5 — 4,6 раза выше износостойкости закаленной стали 45.

Хорошие антифрикционные свойства для подшипников скольжения имеют покрытия из оловянно-свинцово-медных псевдосплавов.

Для получения антикоррозионных защитных покрытий обычно используют алюминий, цинк, медь, хромоникелевые сплавы. Вследствие пористости покрытий их толщина не должна быть менее 0,2 мм для цинка, 0,23 мм — для алюминия, 0,18 мм — для меди, 0,6... 1,0 мм — для нержавеющей стали.