Metod_2542

Покрытия высокого качества получаются при двухслойном напылении. Первым напыляется подслой термореагирующим порошком толщиной 0,05–0,15 мм, основной слой износостойкого порошка напыляется толщиной 2 мм.

Транспортирующие газы и горючие смеси. При металлиза-

ции напыляемый металл должен находиться в расплавленном или близком к нему состоянии. Нагрев и расплавление порошка или проволоки осуществляются пламенем. Температура пламени зависит, прежде всего, от состава горючей смеси (табл. 3.18).

По данным табл. 3.18 можно сделать вывод, что максимальное значение температур, которое может быть достигнуто в факелах, равно температуре горения компонентов горючих газов.

снижается до 500 °С по причине подачи в факел сжатого воздуха для транспортировки частиц металла. Таким образом, прочность сцепления и прочность напыленного металла во втором случае ни-

153

же, чем при напылении порошков. При порошковой металлизации высокотемпературная область факела имеет большую протяженность, что позволяет полнее использовать тепло факела для нагрева частиц металла, уменьшить расход горючего газа и окислителя.

В качестве транспортирующего газа используются аргон Ar, углекислый газ СО2. Эти газы позволяют в значительной мере защитить напыляемый металл от окисления.

Подслой и основной металл наносят при одних и тех же режимах:

давление кислорода — 0,35–0,50 МПа;

давление ацетилена — 0,03–0,05 МПа;

расход кислорода — 960–1100 л/ч;

расход ацетилена — 900–1000 л/ч;

расход порошка — 2,5–3,0 кг/ч.

Плазменная металлизация, как и плазменная наплавка,

осуществляется за счет тепла плазмы. Схема образования плазмы, ее свойства описаны в предыдущем разделе. Из трех описанных схем получения плазмы при металлизации преимущественно получила распространение первая — закрытая. Плазмотроны, работающие по схеме использования закрытой дуги, называются

плазмотронами косвенного действия.

Дуга в плазмотроне (горелке) косвенного действия электрически не связана с обрабатываемым материалом, поэтому меньше нагревает его. Сжатая дуга косвенного действия может иметь различную длину. Внутри сопла она сжата, однако при выходе за его пределы начинает расширяться до размеров, равных свободной дуге. Скорость расширения сжатой дуги зависит от степени предшествующего сжатия и расхода плазмообразующего газа. Расширение дуги тем больше, чем меньше расход газа. Расширение дуги является причиной снижения температуры плазменного потока и уменьшения нагрева подложки. Максимальное расширение дуги отмечается на расстоянии 25–30 мм от нижнего среза сопла.

154

С помощью плазменной струи, имеющей температуру 10 000–30 000 °С и скорость истечения 1 000–15 000 м/с,

лизацией, отличаются высокими механическими свойствами. Прочность сцепления напыленного слоя с подложкой достигает 200–600 МПа. На рис. 3.27 схематично показана структура слоя, полученного плазменной металлизацией.

Из рис. 3.27 видно, что между подложкой и первым напыленным слоем просматривается четкая граница 5. Наличие этой границы свидетельствует о том, что процесс сплавления при металлизации отсутствует, т.е. тип связей между частицами напыленного слоя и подложкой считается смешанным: механическое сцепление и металлические связи.

На границах между частицами 3 не видны пленки окислов, что свидетельствует о высокой эффективности защитных газов. На схеме видны поры 4. Пористость плазменных покрытий составляет в среднем 3–10 %.

Обычно толщина покрытия не превышает 1 мм, что достаточно для компенсации износа детали и обеспечения припуска на механическую обработку. Однако при увеличении толщины покрытия возрастают растягивающие напряжения, которые образуют трещины в напыленном слое.

Твердость покрытия в зависимости от марки порошка или состава смеси может быть получена в пределах HRC 30–60.

155

Свойства плазменных покрытий значительно улучшаются, если провести оплавление напыленного слоя. При оплавлении появляется жидкая фаза, интенсифицируются диффузионные процессы. В результате прочность сцепления слоя с подложкой увеличивается в 5–10 раз, усталостная прочность слоя возрастает на 20–25 %, износостойкость детали превышает износостойкость закаленной стали 45 в 3–4 раза.

Оплавление покрытия может быть выполнено кислородноацетиленовым пламенем, плазменной струей или токами высокой частоты. Последний способ нашел наибольшее применение.

Сплавы, подвергающиеся оплавлению, должны удовлетворять следующим требованиям: они не должны быть тугоплавкими (температура плавления не должна превышать 1000–1100 °С), в жидком состоянии сплавы должны хорошо смачивать подогретую подложку и обладать свойством самофлюсования. Перечисленным требованиям соответствуют сплавы на основе никеля, с легирующими добавками хрома, бора и кремния.

Для напыления изношенных поверхностей деталей и напыления с последующим оплавлением газопламенным и плазменным способами широко применяются порошковые сплавы системы Ni – Cr – B – Si, в которые иногда добавляют карбиды, бориды тугоплавких металлов (хром, вольфрам, молибден и др.) для образования композиционных сплавов с высокими физикомеханическими свойствами.

Ведущие отечественные заводы порошковой металлургии и зарубежные фирмы («Метко» — Италия, «Кастолин» — Швейцария

идр.) в последние годы освоили выпуск порошковых сплавов, обладающих экзотермическими свойствами, которые повышают прочность сцепления и физико-механические свойства покрытия в целом.

Для получения качественных покрытий порошки должны иметь частицы сферической или комкообразной формы, что обеспечивает хорошую сыпучесть и постоянство расхода порошкового материала. Размер частиц порошка и его гранулометрический состав оказывают влияние на производительность процесса

икачество слоя. Чрезмерно крупные частицы не успевают нагреваться, вследствие чего не способны обеспечить высокую прочность сцепления с подложкой и между собой.

156

Мелкие частицы не способны приобрести достаточный запас кинетической энергии, в результате прочность напыленного слоя и прочность сцепления также снижаются. Желательно применять порошки с размером частиц 25–200 мкм. Порошковые материалы гигроскопичны, т.е. интенсивно поглощают влагу, поэтому хранить их следует в плотно закрытой таре. Перед употреблением их следует прокаливать при температуре 150–300° С. Для бóльшей эффективности используют вакуумные сушильные шкафы.

Вольфрамовый порошок. Вольфрам W способен образовывать металлическую связь с большинством металлов. Используется для нанесения износостойких и эрозионно стойких покрытий. При использовании для металлизации необходимо применять вольфрам, содержащий небольшую примесь железа.

Вольфрам имеет высокую температуру плавления (Тпл = 3410 °С), что затрудняет его применение при газопламенной металлизации.

Отечественной промышленностью выпускаются порошки марок В или В-1, размером частиц 40–100 мкм.

Молибденовый порошок. Молибден Мо хорошо сцепляется с поверхностью черных металлов и сплавов, поэтому его часто используют в качестве подслоя, на который затем напыляется покрытие из других металлов. Такие порошки выпускаются с содержанием молибдена не менее 99,9 % с размером частиц 50–100 мкм. Молибденовые порошки для напыления основного слоя выпускаются в виде сплавов систем: Mo–Fe, Mo–Ti, Mo–Si, а также в виде механических смесей молибдена, окиси алюминия и окиси титана.

За рубежом используют молибден с небольшими добавками легкоплавких соединений. Примером могут служить молибденовые порошковые сплавы следующего состава, % по массе: 2–8 %

Со; 0,1–1,0 % Ni; 0,1–0,2 % Fe, B, Zr, Si (в сумме); 4–10 % карби-

ды, бориды, нитриды; остальное — Мо.

Алюминад никеля NiAl — смесь никеля и алюминия в виде сферических частиц никеля, покрытых тонкой алюминиевой оболочкой с весовым соотношением обычно 80:20.

Под действием высокотемпературной плазмы или кислород- но-ацетиленового пламени расплавленный алюминий и никель вступают в экзотермическую реакцию с образованием химического соединения NiAl и выделением теплоты. В результате дополнительного теплового воздействия на частицы порошкового

157

покрытия и металл подложки скорость образования и прочность металлических связей возрастают. Качество покрытия повышается. Порошок алюминада никеля применяется для напыления подслоя, а также для металлизационного покрытия изношенных поверхностей детали. Во втором случае алюминад никеля используется как составная часть сложных композитных покрытий,

например, NiAl – Al2O3; NiAl – WC.

Отечественная промышленность выпускает порошок алюминада никеля марки НА-67.

Сплавы на основе никеля или железа. Для металлизации дета-

лей, работающих в условиях граничного трения, применяются износостойкие порошковые сплавы на основе никеля или на основе железа с высоким содержанием углерода. Сплавы на основе железа имеют меньшую стоимость в сравнении с никелевыми, в то же время обладают высокими технологическими и эксплуатационными свойствами.

Сплавы на основе никеля имеют относительно низкую температуру плавления (950–1050 °С), свойство самофлюсования, повышенную жидкотекучесть, что позволяет регулировать твердость и износостойкость покрытия.

Твердость напыленного слоя можно регулировать в достаточно широком интервале: HRC 35–60. Это достигается изменением содержания в сплаве карбидов хрома и карбидов железа (Fe3C — цементит), а также боридов хрома.

Главный недостаток порошковых сплавов на основе никеля — высокая стоимость.

Порошковые сплавы на основе железа с высоким содержанием углерода имеют невысокую стоимость, но характеризуются тугоплавкостью (температура плавления 1250–1300 °С), не обладают свойством самофлюсования.

На практике получили широкое распространение смеси порошковых сплавов на основе железа с порошками на основе никеля — ПС. Эти смеси были разработаны в МАДИ, они обеспечивают высокую износостойкость, приемлемую температуру плавления (1100–1150 °С), обладают свойством самофлюсования и стоимость их примерно в 3 раза меньше стоимости сплавов на основе никеля.

Порошки на основе окислов. Окислы используют для теплозащитных, каталитических (предотвращение нагара и осмоления) и

158

износостойких покрытий на детали двигателей внутреннего сгорания. Из окислов широкое распространение получили окись алюминия Al2O3 и двуокись циркония ZrO2. Покрытия из окиси алюминия имеют белый цвет, обладают высокими теплоизоляционными свойствами, высокой твердостью, низким коэффициентом трения, химической устойчивостью, однако низкая прочность и повышенная хрупкость затрудняют применение их для восстановления деталей, работающих с ударными нагрузками.

На основе Al2O3 синтезирована целая группа керамических материалов систем Al2O3 – MgO, Al2O3 – CaO. Покрытия из этих материалов характеризуются повышенной термостойкостью. Химический состав окиси алюминия и некоторых синтезированных материалов представлен в табл. 3.19.

Таблица 3.19

Наиболее важными характеристиками покрытий из ZrO2 являются их высокая жаростойкость и низкая теплопроводность. Для металлизации рекомендуется порошок следующего состава: ZrO2 — не менее 90 %; СаО — 6 1 %; Fe2O3 — 0,5 %, остальное — примеси.

Газопламенное и плазменное напыление позволяет наносить покрытия из материалов широкого состава и различных свойств (металлов, сплавов, оксидов, нитридов, боридов и их композиций) на подложку из разных материалов — металла, керамики, пластмасс и композитных.

Плазменные горелки допускают регулирование энергетических параметров плазмы, что позволяет получать покрытия с заданными свойствами.

Использование в плазменных горелках инертных газов способствует уменьшению окисления напыляемого материала и по-

159

верхности подложки и получению покрытия с высокими физикомеханическими свойствами.

Технологический процесс восстановления деталей плазменным напылением включает следующие блоки операций:

подготовка порошка;

подготовка поверхности детали;

металлизация;

механическая обработка детали.

Подготовка порошка включает две операции: сушку (прокаливание) порошка в печах при температуре 150–300 °С, просеивание через сито с размерами ячеек, соответствующими требуемым размерам гранул (40–100 мкм).

Подготовка поверхности. Этот блок операций решает задачи формирования оптимальной шероховатости на восстанавливаемой поверхности, восстановления второй характеристики точности этой поверхности, удаления с поверхности, подлежащей напылению, масляных, окисных и других пленок.

Очистка и мойка деталей проводится в разборочно-моечном цехе с применением штатных моющих средств: щелочных растворов или синтетических моющих средств (МЛ-51, МЛ-52, Лобомид — 102, Лобомид — 103 и др.).

Удаление следов износа геометрической формы восстанавливаемой поверхности и восстановление ее расположения относительно других (базовых) поверхностей осуществляется механической обработкой: шлифованием, точением и другими методами.

Однако основной операцией в подготовительном блоке является формирование необходимой шероховатости, которая оказывает существенное влияние на прочность сцепления наплавленного слоя с подложкой и на усталостную прочность детали после металлизации.

В исследовательской литературе известно достаточно много способов формирования шероховатости: шлифование крупнозернистым кругом, пескоструйная и дробеструйная обдувка, нарезание рваной резьбы и др.

Наибольший интерес представляет дробеструйная обработка поверхности, так как она обеспечивает достаточно высокую прочность сцепления и, главное, не снижает усталостную проч-

160

ность детали. Снижение усталостной прочности является характерным для многих способов подготовки детали к восстановлению. Дробеструйная обработка и накатка даже несколько повышают усталостную прочность — на 30 и 20 % соответственно, за счет формирования в поверхностных слоях металла напряжений сжатия. Способы подготовки поверхности детали к восстановлению приведены в табл. 3.20.

Прочность сцепления при дробеструйной обдувке можно повысить за счет металлизации с подслоем, а также за счет оплавления напыленного слоя или других технологических приемов.

Обдувка производится чугунной дробью с размерами частиц 1,5–2,5 мм при давлении воздуха 0,5–0,6 МПа. Технология очистки поверхностей деталей дробеструйной обдувкой хорошо освоена в литейном производстве при очистке литья от формовочной смеси.

Заключительными операциями подготовительного этапа являются обезжиривание напыляемой поверхности и защита соседних поверхностей, не подлежащих напылению (пленками, фольгой и др.).

Разрыв во времени между дробеструйной обработкой и металлизацией не должен превышать 2 ч, так как после истечения указанного времени наблюдается интенсивный рост оксидной пленки.

Плазменное напыление ведется на установках, включающих в себя плазменную металлизационную горелку (плазмотрон), пульт управления, порошковый питатель (дозатор), источник питания.

Отечественная промышленность выпускает два типа установок для плазменной металлизации:

161

установки УПУ-3, УПУ-4 производства Ржевского механического завода;

установки УМП-4, УМП-5 производства Барнаульского ап- паратно-механического завода.

Технические характеристики этих установок приведены в табл. 3.21.

Из таблицы видно, что установки обоих типов характеризуются большой потребляемой мощностью: 30–40 кВт при силе тока до 600 А.

Такая энергонасыщенность процесса обусловлена стремлением нагреть напыляемые частицы до возможно высоких температур. По данным [22], для получения высокой прочности сцепления частицы должны быть нагреты в момент контакта с подложкой до температуры, определяемой по формуле

Тч = 0,9 Тпл,

где Тч — конечная температура частицы, °С; Тпл — температура плавления металла или сплава, °С.

Эта зависимость определяет влияние размеров частиц на прочность сцепления: крупные частицы порошка за время пребывания в струе плазмы (10-4–10-2 с) не успевают расплавиться и получить необходимый запас тепла, мелкие — испаряются или оттесняются плазмой во внешнюю часть струи. Поэтому грануляция порошка для отечественных установок должна быть 50–100 мкм.

Режим плазменной металлизации зависит от материала детали, ее формы, размеров и массы, от применяемых порошковых материалов, требуемых свойств покрытия и других факторов. При напылении покрытия порошковыми сплавами на основе никеля, железа

162