Чаще всего для промежуточного слоя используют никель-алюминиевые порошки, обладающие экзотермическими свойствами при распылении.

Нагретый алюминиевый порошок легко реагирует с воздухом, выделяя большое количество тепла. При температуре 600–640 ºС начинается взаимодействие никеля с алюминием, происходит образование интерметаллидов, сопровождающееся существенным тепловым эффектом. При определенном термическом цикле в контакте «частица – подложка» происходит образование прочных связей, обусловленных процессами взаимодействия на атомном уровне.

Никель-алюминиевые покрытия являются многофазными и содержат NiАl и твердый раствор Ni в NiAl. Для получения оптимальной прочности сцепления толщина покрытия должна составлять 0,05–0,15 мм. Рекомендуется поддерживать следующие параметры при напылении: скорость вращения детали 10–15 1/мин, подача плазмотрона 6–15 мм/об. Нанесение подслоя необходимо производить в один проход.

2.3.4. Получение покрытий напылением

Основное преимущество напыления – это отсутствие структурных превращений и деформации металла. Напылением получают покрытия толщиной до 2,0 мм, изделие при этом не нагревается более 200–300 ºС.

Процесс нанесение покрытия следует начинать с настройки оборудования, устанавливая расходные характеристики рабочих газов и напыляемого материала. На предварительном этапе задаются энергетические характеристики, кинематические параметры (скорости перемещения плазмотрона и изделия), дистанция напыления. Плазменный факел должен гореть ровно, без пульсаций. Необходимо следить, чтобы при возбуждении дуги плазмотрон был направлен в сторону от подготовленной для напыления поверхности.

Скорость перемещения плазмотрона относительно поверхности вращающейся детали должна составлять примерно 10 м/мин с подачей 8–10 мм/об и обязательным перекрытием напыленных полос на 1/3 размера пятна напыления.

Скорость вращения детали можно определить по формуле

n = V/πD,

где n – угловая частота, 1/мин, V – линейная скорость, мм/мин, D – диаметр напыляемой поверхности, мм.

Покрытия наносят в несколько проходов, напыляя около 0,25 мм за один проход. Каждый новый проход нужно начинать с исходной точки. Для предотвращения нагревания изделий до температуры более 300 ºС следует постоянно контролировать их температуру. Такой контроль осуществляют термоиндикаторными карандашами или лазерными измерителями температуры. Номер карандаша (140, 200, 250, 300 и т. п.) указывает на температуру изменения цвета. При достижении предельной температуры процесс необходимо прекратить, охладить деталь до температуры 50– 100 ºС. При толщине покрытий более 1 мм возможно образование трещин, охлаждение в этом случае следует производить в термостабилизирующем агенте, например асбестовой крошке, песке и т. п., или в печи.

21

Важно правильно установить подачу напыляемого материала. При слишком малой подаче порошок перегревается, окисляется. Покрытие в этом случае имеет темный, тусклый цвет, содержит избыток оксидов или шлака, при оплавлении обнаруживаются открытые поры и раковины. Помимо неправильной установки расхода причиной малой подачи может быть повышенная влажность порошка, некруглая форма частиц.

Если подача порошка велика, то энергии струи недостаточно для его расплавления. Некоторые частицы не фиксируются на поверхности, уходят в отходы, сцепляются с поверхностью, но распределяются неравномерно, плохо повторяют форму поверхности. После оплавления обнаруживается избыток пор и шлака.

Прочность сцепления в значительной мере зависит от правильности выбора технологических режимов при нанесении покрытия. В табл. 6 приведены рекомендуемые режимы напыления порошковых материалов на плазменной установке УПУ-ЗД.

Наилучшие результаты достигаются, если плазмотрон расположен перпендикулярно к поверхности. Исключение могут составлять случаи, когда по каким-либо причинам это обеспечить невозможно или подготовительная струйно-абразивная обработка производилась под другим углом. Но отклонение должно составлять не более 45º.

Оптимальная толщина напыленных покрытий. Правильный выбор толщины покрытия требует определенных знаний и аккуратности. Существуют по крайней мере три фактора, которые безусловно сказываются впоследствии на результате. К ним относятся: стоимость материалов, качество покрытия, затраты на механическую обработку.

Напыляемые порошковые материалы дороги и должны использоваться экономно. Снижение потерь порошка на 10 % позволяет снизить стоимость покрытия в два и более раза. Уже поэтому нанесение покрытия толщиной более, чем требуется, можно рассматривать как расточительство.

Стоимость механической обработки покрытий тоже высока. Для покрытий легче выдерживать необходимые допуски, что дает экономию на материале и на шлифовке.

Сцепление с основой одно из основных требований к покрытию. Оно быть достаточно прочным, чтобы фиксировать покрытие на поверхности. Применяемые материалы имеют отличный от материала основы коэффициент линейного расширения, достигающий больших значений порядка (8–16) · 10–6 1/град, является причиной появления в покрытиях остаточных напряжений. Наибольшую опасность пред-

22

ставляют растягивающие напряжения, так как предел прочности материалов на сжатие почти на порядок выше предела прочности на растяжение.

Покрытия имеют свойства сжиматься в процессе их нанесения в связи с усадкой. Следствием этого являются касательные напряжения в месте контакта, возникает тенденция к отрыву от буртиков на краях проточки. На плоских поверхностях растягивающие напряжения приложены по касательным непосредственно к границе раздела, на криволинейных поверхностях имеются и растягивающие и сжимающие напряжения. Прочность сцепления должна быть достаточной, чтобы противостоять этим напряжениям.

Для порошков нержавеющих сталей и самофлюсующихся сплавов остаточные напряжения сжатия при толщине покрытия 0,35–0,40 мм переходят в растягивающие и возрастают с увеличением толщины покрытия до 20–40 МПа. Растягивающие напряжения снижают сопротивление усталости при изгибе, вызывают трещины в покрытиях.

Таким образом, с увеличением толщины покрытия величина остаточных растягивающих напряжений возрастает, возникает опасность разрушения покрытий. Всегда следует стремиться к получению покрытия минимальной толщины. Минимальная толщина покрытия включает допуск на возможный износ и на обработку после напыления. Не нужно излишне углубляться в металл при проточке изношенных поверхностей. Оптимальная толщина припуска составляет 0,15 мм, а для карбидных покрытий менее 0,1 мм. Минимальная толщина после оплавления может составлять 0,25 мм. Для покрытий равномерной толщины припуск на шлифование составляет от 0,1 до 0,4 мм в расчете на радиус. Усадка при оплавлении составляет примерно 20 %. Для валов на участках запрессовки следует наносить покрытия толщиной 0,10–0,15 мм независимо от диаметра.

Процесс напыления вала на плазменной установке показан на рис. 8.

Рис. 8. Плазменное напыление вала

23

2.3.5. Оплавление покрытий

Оплавлению подвергаются напыленные покрытия из самофлюсующихся сплавов с целью ликвидации пористости и повышения прочности сцепления с основой. Оплавление необходимо начинать сразу после напыления, это снижает энергозатраты, опасность трещинообразования и отслоения напыленного покрытия.

Нагрев покрытия осуществляется плазменным факелом. Напыленные покрытия испытывают растягивающие напряжения. Резкий местный нагрев до высокой температуры вызывает их расширение и может привести к отслоению покрытия от основы. Поэтому следует произвести предварительный нагрев поверхности до температуры 500–700 ºС. При этой операции плазмотрон располагается на расстоянии 100–125 мм от оплавленной детали и осуществляет возвратно-поступательное перемещение по всей поверхности.

После нагрева расстояние необходимо уменьшить до 35–40 мм и нагреть поверхность до температуры, близкой к температуре плавления напыляемого сплава, которая составляет 950–1050 ºС. При вращающейся детали плазмотрон может быть установлен стационарно до достижения необходимой температуры оплавляемой поверхности, затем ей сообщается продольное перемещение со скоростью V = 0,01– 0,03 м/с. Если деталь располагается неподвижно, необходимо совершать небольшие колебательные движения плазменной горелкой.

Момент оплавления контролируют по зеркальному блеску поверхности, появление которого указывает на завершение процесса. Следует избегать перегрева, который вызывает подтеки, провисания и снижение физико-механических свойств покрытия. Неоправданно долгое оплавление, выдержка сплава при высокой температуре приводит к снижению твердости и ухудшает коррозийную стойкость. Оплавление можно осуществить также в печи или индукционным нагревом.

Скорость охлаждения с температуры оплавления должна быть медленной, чтобы избежать растрескивания покрытий, особенно при высокой твердости их. Твердые сплавы имеют коэффициент термического расширения значительно более высокий, чем большинство сталей. В результате при охлаждении основной металл сжимается меньше материала покрытия. Это усиливает растягивающие напряжения, вызывающие трещины.

Трещины могут появиться, если покрытие быстро охлаждается, а середина нагревается за счет теплосодержания покрытия. Их причиной также являются мартенситные превращения, сопровождающиеся увеличением объема. Соответствующий цикл охлаждения позволяет превратить аустенит в перлит и бейнит, избегая превращения аустенита в мартенсит. При медленном охлаждении в асбестовой крошке покрытия без растрескивания могут быть нанесены почти на все стали.

Многое зависит от размеров и формы детали. Чем меньше металлоемкость, тем меньше вероятность растрескивания. Для некоторых сталей и деталей с изменением формы (конусные поверхности, переходы и т. п.) необходим изотермический отжиг в печи. К таким материалам относятся, например, нержавеющие стали мартенситного класса 10X13, 20X13, никель-хром-молибденовые стали с высоким содержанием углерода.

Медленного охлаждения требуют углеродистые стали с содержанием углерода 0,25–0,4 % и конструкционные легированные. Практически не требуется никаких

24