6.Свс- покрытия

Газотранспортные свс-покрытия

Физическая сущность и механизм СВС газотранспортных покрытий

В настоящее время существует огромное многообразие способов нанесения различных покрытий. Способы диффузионного насыщения являются наиболее широко используемыми в промышленности и могут быть реализованы следующими технологическими методами: диффузионное насыщение в порошковых смесях; прямоточный и циркуляционный способы диффузионного насыщения из газовых сред.Прямоточный газовый метод позволяет легко регулировать актив­ность газовых сред (отсюда высокое качество диффузионного слоя), однако метод требует достаточно сложного оборудования.

Процессы нанесения покрытий в порошковых смесях имеют три характерные стадии.

I. Реакции в насыщающей среде. На этой стадии имеют место два процесса: образование активных (газовых) атомов в насыщающей среде и диффузия их к поверхности.

II. Реакции на границе фаз: адсорбция (хемосорбция) образовав­шихся активных атомов поверхностью насыщения; гетерогенные ре­акции.

III. Диффузия адсорбированных атомов внутрь металла. По мере накопления атомов диффундирующего элемента на поверхности насы­щения возникает диффузионный поток внутрь металла.

Для того, чтобы интенсифицировать процесс подвода насыщающего элемента к поверхности изделия, в исходную шихту обычно вводят так называемые активаторы (чаще всего галогениды металлов). При нагреве в порошковых смесях, содержащих активатор, образуются летучие галогениды насыщающего элемента, что обеспечивает протекание первой стадии процесса.

C использованием процесса СВС исследованы и разработаны процессы нанесения покрытий в порошковых экзотермических смесях с использованием газовой фазы. Основная идея способов состоит в совмещении химических транспортных реакций с такими процессами, как горение и воспламенение.

T₁

Как известно, использование химических транспортных реакций основано на реализации обратимой реакции типа:

T₂

M + m/n G_n MG_m

где М — наносимый элемент, G — галоген, МG_m — летучий галогенид элемента. Для переноса и осаждения элемента М необходим сдвиг равновесия указанной реакции в соответствующую сторону. При этом элемент и изделие должны находиться при различных температурах. Этот принцип использован в хорошо известных процессах Ван-Аркеля и Де-Бура и широко применяется и сейчас для выращивания эпитакси-альных пленок.

Схема нанесения покрытий в режиме горения следующая. За счет основной твердофазной реакции (СВС-процесс) между элементами А + В = AB распространяется фронт горения по порошковой смеси. При этом в зоне прогрева смеси могут протекать реакции типа:

A + m/n G_n AG_m ; B + m/n G_n BG_m ;

При низких температурах образуются газообразные соединения, при высоких — распадаются. Газообразные соединения в начале осаждают­ся на поверхности изделия, а образование исходного покрытия А_x В_y происходит при высоких температурах. При этом длина диффузионного пути летучего галогенида порядка ширины зоны прогрева, которая обычно не превышает долей миллиметра. Отсюда малые времена транспорта и достаточно большие скорости осаждения. Более того, меняя газотранспортный агент, либо применяя одновременно их комбинацию, можно добиться соответствующей последовательности осаждения и требуемого химического состава покрытий.

Физическая сущность метода

В основе данного метода лежат процессы получения литых тугоплавких продуктов в режиме горения, получившие название СВС-металлургии. Здесь в качестве исходного сырья используются смеси окислов металлов с восстановителем (Al,Mg...) и неметаллами. Отличительной особенностью метода служат высокие температуры горения составов, превышающие температуры плавления конечных продуктов - тугоплавкого соединения и оксида металла-восстановителя. После завершения горения в зависимости от вида смеси и соотношения реагентов образуется либо однофазный оксидный раствор, либо двухфазный расплав, в котором оксид металла-восстановителя (Al₂O₃,MgO...) образует сплошную среду, а металлическая фаза в виде капель распределена в ней. Вследствие разницы в удельных весах более тяжелые капли (как правило, это капли тугоплавкого соединения - карбида, борида и т.д.) собираются в нижний «металлический слой», вытесняя в верхний слой оксидную фазу (полное фазоразделение). В результате исследований была разработана технология СВС литых материалов и изделий на основе: карбидов, боридов, силицидов, интерметаллидов, а также порошков на их основе.

Используя жидкофазное состояние продуктов синтеза после прохождения волны горения, можно решить еще одну практическую задачу: получить литые защитные покрытия различными материалами.

Схемы проведения СВС-наплавки: СВС-наплавка в реакторах под давлением газа Схема СВС-наплавки защитных покрытий на стальные пластины в реакторах под давлением газа, заключается в следующем. После сгорания шихты высокотемпературные продукты разогревают и расплавляют поверхностный слой пластины. Одновременно происходит фазоразделение и формирование жидкого слоя «металлического» целевого продукта. перемешивание его с жидким слоем металла основы, обеспечивающее после кристаллизации прочное сцепление с основой. Окисный слой не имеет прочного сцепления с наплавкой и легко удаляется. Давление инертного газа в реакторе подавляет разброс расплава в зоне горения и обеспечивает, таким образом, плотность, сплошность и адгезию покрытия.СВС-наплавка при атмосферном давлении Наплавка в реакторах имеет ограничения, связанные с малым объемом рабочей камеры реактора, стоимостью и затратами на эксплуатацию оборудования и .др. Поэтому в ИСМАН был разработан способ СВС-наплавки при атмосферном давлении.Его отличительной чертой является использование восстановительных СВС-составов с малой экзотермичностью обеспечивающее получение литых покрытий на основе карбидов и боридов хрома. Низкокалорийные шихты обеспечивают малый разброс состава при горении, а их невысокая скорость горения обеспечивает режим объемного разогрева основы, когда толщина наплавки и основы соизмеримы. Центробежная СВС-наплавка Этот вид наплавки позволяет получать наиболее плотные покрытия. Здесь деталь - полый цилиндр (труба), внутренняя поверхность которого нуждается в наплавочном покрытии, заполняется исходной шихтой для СВС-литья. Детали придается осевое вращение и процесс сжигания шихты, формирования покрытия и кристаллизация расплавов проводят в режиме установившегося вращения. Разброс состава в этом случае задавливается гравитационными силами. Варьируя состав исходной шихты и величину центробежного ускорения можно получать одно- и многослойные плотные покрытия на внутренней поверхности труб.Технология СВС-наплавки твердого сплава на основе титано-хромового карбида с 30% железоникелевой связки применяется для повышения ресурса работы быстроизнашивающихся деталей (лопаток смесителей огнеупорной массы, загрузочных устройств доменных печей, долот сельскохозяйственных и дорожных машин и т. д.). Толщина покрытий, в зависимости от назначения изделий, составляет от 2 х 10^-4 до 2 х 10^-2 м. По данным металлографического, рентгенофазового и локального рентгеноспектрального анализов, покрытие по всей высоте имеет одинаковый фазовый и элементный состав, за исключением переходного к металлу основы слоя толщиной 3-10^-4—5-10^-4 м. По сравнению с промышленным сплавом сормайт покрытие имеет более высокие твердость и износостойкость. Испытания в промышленных условиях показали, что ресурс лопаток смесителя огнеупорной с СВС-наплавкой в 20 раз выше, чем у промышленных лопаток из стали; ресурс долота с СВС-наплавкой при обработке почвы в 4—5 раз выше, чем у стандартного долота с наплавкой из сормайта.

Высокие твердость и износостойкость СВС-покрытий обусловлены большой концентрацией карбидных фаз на основе титана и хрома в наплавленном слое. Электродуговой метод не позволяет получить такой результат, поскольку он вносит большое количество железа при наплавке. Индукционному методу недоступно получение наплавок с высоким содержанием карбидов, поскольку они имеют высокую температуру плавления (индукционный метод ограничен температурой плавления металла основы).