4.Наплавка и газотермическое нанесение покрытий
Наплавка. Сущность процесса наплавки заключается в получении поверхностных слоев нанесением расплавленного присадочного материала методом сварки (рис. 12.1). Проплавление основного металла, перемешивание основного и наплавленного металлов должны быть минимальными для сохранения механических свойств наплавляемого слоя.
Материалы, применяемые для наплавочных работ, можно разделить на следующие группы:
• сплавы на основе железа (стали, высокохромистые чугуны и др.);
• сплавы на основе никеля и кобальта;
• сплавы на основе меди;
• карбидные сплавы (с карбидом вольфрама или хрома) и др.
Наплавку применяют для восстановления изношенных изделий и создания поверхностей с необходимыми свойствами при изготовлении новых изделий. Масса наплавленного слоя обычно не превышает нескольких процентов от общей массы заготовки. При затвердевании расплавленного металла рост кристаллитов в наплавленном слое происходит на базе частично оплавленных зерен основного металла.
Наиболее широкое распространение в промышленности получила дуговая наплавка покрытым электродом, порошковой проволокой, в среде защитных газов, под флюсом и др. Электрошлаковую наплавку применяют при необходимости наплавить большое количество металла, лазерная наплавка обеспечивает локальность теплового воздействия, минимальное перемешивание наплавленного и основного металлов, а также практическое отсутствие деформации изделия после наплавки.
а б
Рис. 12.1. Схема дуговой наплавки: а − покрытым электродом; б − порошковой проволокой; I − материал покрытия; II – изделие.
При проведении работ по наплавке следует иметь в виду, что в поверхностных слоях наплавленного металла возникают остаточные, как правило, растягивающие напряжения. В результате этого возможно не только искажение формы и размеров заготовок, но и появление трещин в наплавленном слое.
Газотермическое нанесение покрытий. Сущность процессов газотермического нанесения покрытий заключается в образовании наплавленного потока дискретных частиц размером от 10 до 200 мкм (рис. 12.2). Для образования прочных связей между частицами в покрытии необходимо обеспечить достаточный уровень активации при их контактировании с поверхностью, которая, как правило, не оплавляется. Это достигается нагревом и ускорением частиц в процессе переноса.
В зависимости от источника теплоты и движущих сил переноса различают следующие способы напыления: газопламенное, плазменное, детонационное, дуговая металлизация и высокочастотная металлизация.
В газопламенных процессах для нанесения покрытий используют теплоту, выделяющуюся при сгорании горючих газов в смеси с кислородом или сжатым воздухом. Для создания потока частиц основными видами материалов, используемых при газопламенном напылении, является порошок и проволока (рис. 12.2). В качестве горючего газа применяют ацетилен, пропан или водород, при сгорании которых в кислороде при выходе из сопла развивается температура 2500 °С, скорость движения частиц достигает 120 м/c, а производительность возрастает до 8 кг/ч (для стали) и 30 кг/ч (для цинка).
Рис. 12.2. Схема газопламенного нанесения покрытий:
а − порошком; б − проволокой
При плазменном напылении применяют в основном струи, получаемые в дуговых плазмотронах, в которых источником нагрева является дуга, горящая между водоохлаждающими электродами. В качестве плазмообразующих газов применяют аргон, водород, азот, аммиак, гелий, воздух и др.
Частицы порошка, попадая в плазменную струю, расплавляются и переносятся на поверхность обрабатываемого изделия.
При детонационном напылении источник нагрева представляет собой высокоскоростной поток газовой смеси, образующийся в результате направленного взрыва, обусловленного детонацией. Скорость продуктов детонации определяет скорость напыляемых частиц, которая обычно составляет 800–1200 м/c.
При электродуговом напылении образование потока наплавляемых частиц происходит в результате плавления материала высокоамперной дугой.
Особенностью горения дуги в электрометаллизаторе является воздействие мощного скоростного потока распыляющего газа, в результате чего происходит сжатие дуги, температура которой достигает 4000 °С.
Процесс высокочастотного напыления основан на использовании токов высокой частоты. Помещенный в индуктор стержень (проволока) расплавляется вихревыми токами, возникающими под действием переменного магнитного поля, образующегося при прохождении высокочастотного тока по катушке. Расплавленный металл распыляют струей сжатого воздуха и наносят на обрабатываемую поверхность. При напылении металлов, активно взаимодействующих с кислородом, используют инертные газы.
Газотермическое нанесение покрытий может осуществляться как при атмосферном, так и при пониженном или повышенном давлении. Размер частиц наплавляемого материала существенно влияет на структуру и свойства покрытия. С увеличением размера частиц повышается плотность и однородность покрытия. Частицы размером менее 10 мкм становятся непригодными для напыления на воздухе, так как они не достигают поверхности изделия, поскольку увлекаются потоком газа, обтекающим изделие.
Различные способы газотермического напыления применяют для получения коррозионно-стойких, износостойких, жаростойких и других покрытий из алюминия, цинка, сталей, бронзы, карбидов вольфрама, керамики. Размеры и форма изделий при этом методе не ограничены, а толщина покрытия может составлять от 0,1 до 2 мм. Для получения прочного соединения покрытия с поверхностью заготовки необходима ее специальная подготовка. Перед нанесением металла толщиной до 1 мм поверхность обдувают корундом для очищения, придания необходимой шероховатости и активации. Если напыляют более толстые слои, то шероховатость обеспечивают черновым точением или фрезерованием канавок типа «ласточкин хвост».
Преимуществом газотермического нанесения покрытий является возможность применения широкого спектра материалов и проведение процесса как в атмосфере, так и в защитных камерах. Недостатками являются высокая стоимость процесса, относительно низкая производительность, высокий уровень шума.
Нанесение покрытий в жидкой фазе осуществляют также погружением в расплавленные среды, электролитическим осаждением металлов и химической обработкой (нанесение покрытий и поверхностное легирование).