9.2.5. Детонационное напыление

П ри данном способе напыления на­грев и транспортирование частиц по­рошкообразного материала на по­верхность детали осуществляются в результате энергии детонации газо­вой смеси. Схема процесса представ­лена на рис. 9.12. В камеру ствола подается кислородоацетиленовая смесь. Ствол одним концом направ­лен на обрабатываемую деталь. В другом конце ствола находится напы­ляемый порошок. Электрическая ис­кра вызывает взрыв газовой смеси, в результате детонации газовой смеси происходит выделение теплоты и об­разуется ударная волна. Частицы порошка разогреваются в продуктах детонации, Получают большую кине­тическую энергию и направляются к открытому концу ствола. Напротив него помещают деталь. Частицы порошка имеют большую скорость по­лета, которая на расстоянии 75 мм от среза ствола достигает 800 м/с. При соударении с поверхностью детали кинетическая энергия частиц транс­формируется в тепловую. При этом температура в месте контакта может повышаться до 4000 "С.

После каждого выстрела ствол ап­парата продувают азотом для удале­ния продуктов сгорания. Процесс на­пыления повторяют с определенной периодичностью. В зависимости от типа установок скорострельность (периодичность повторения цикла) может достигать 10 выстрелов/с. За один цикл напыления можно нанести покрытие толщиной 6 — 10 мкм. По­следовательно напыляя слои друг на друга, можно получить покрытие тол­щиной I — 2 мм. При диаметре ство­ла 25 мм в течение 15 с можно полу­чить покрытие на площади 5 см² тол­щиной 0,3 мм. Детонационное напыление пред­назначено в основном для получения износостойкого покрытия, состояще­го из карбидов и металлической связ­ки. Высокие температуры и давле­ние, контакт частиц порошка с актив­ной газовой средой, деформация час­тиц при соударении с поверхностью детали способствуют протеканию различных физико-химических про­цессов в напылённом слое. Покры­тия, полученные детонационным на­пылением, обладают высокой плот­ностью и прочностью сцепления с ос­новным металлом, В то же время тем­пература нагрева упрочняемой дета­ли не превышает 200 °С.

Н а Бийском машиностроительном заводе и Алтайском опытном заводе ВНПО "Ремдеталь" серийно выпу­скают установки "Катунь" и "Днепр-3" для детонационного напыления. Установки предназначены для нане­сения покрытий из порошковых мате­риалов на рабочие поверхности дета­лей машин и аппаратов для восста­новления и повышения их износостой­кости, коррозионности и жаростойко­сти. Основные показатели установок приведены в табл, 9.5.

Оборудование для детонационного напыления представляет собой сложный технический комплекс, со­стоящий из детонационной установ­ки, звукоизоляционного бокса, газо­распределительного щита и дистан­ционного пульта управления.

К существенным недостаткам де­тонационного напыления следует от­нести в первую очередь высокий уро­вень шума (до НО дБ). Кроме того, используемое оборудование относи­тельно сложно и имеет высокую сто­имость.

9.2.6. Упрочнение конденсацией металла с мойной бомбардировкой

В основе упрочнения поверхностей деталей конденсацией металла с ион­ной бомбардировкой лежит распыле­ние вещества при помощи низковольт­ной дуги постоянного тока в вакууме с контролируемым напуском легиру­ющих газов. Для распыления вещества мишень бомбардируют быстрыми частицами (обычно положительными ионами газа — ионное распыление), в результате чего с поверхности мишени выбиваются атомы, осаждаю­щиеся на расположенные вблизи по­верхности.

В наиболее простом случае ионное распыление осуществляют в тлею­щем разряде при помощи двойной схемы. В этой схеме мишень из рас­пыляемого металла — катод, на ко­торый подается потенциал в несколь­ко киловольт, а держатель подлож­ки — заземленный анод. При нали­чии ионизирующего газа и при высо­ком напряжении между электродами возникает автоэлектронная эмиссия с катода, и в межэлектродном про­странстве зажигается самостоятель­ный разряд. В рассмотренном случае в процессе ионного распыления катод выполняет две функции: является источником электронов, что поддержи­вает процесс существования тлеюще­го разряда, и источником распыляе­мого материала, наносимого на де­таль.

В качестве катода могут использо­ваться любые электропроводящие материалы. Для получения химиче­ских соединений (нитридов, карби­дов) в камеру установки для нанесе­ния покрытий подают легирующий газ. В результате высокой температу­ры катодного пятна вакуумной дуги эффективно испаряются любые ка­тодные материалы (вольфрам, тан­тал, молибден, ниобий, графит). Вве­дение в вакуумную камеру легирую­щего газа и ионизация его в разряде позволяют создать плазменные пуч­ки с регулируемым содержанием различных компонентов.

Ионное состояние вещества вблизи поверхности образца (детали) акти­визирует реакции взаимодействия, что позволяет получать покрытия с Высокими физико-механическими свойствами (сверхтвердые, износостойкие и др.). Регулированием со­става и энергии ионного пучка, фор­мируемого из плазменной струи, можно направленно изменять фазо­вый состав, структуру и свойства по­крытий. Ускоренные ионные пучки большой: плотности дают возмож­ность осуществлять высокоэффек­тивную начальную очистку поверхности образца (детали) распылением, обеспечивающим высокую адгезию покрытия,

Одной из наиболее важных обла­стей применения покрытий, получае­мых путем конденсации металла с ионной бомбардировкой, является создание износостойких слоев. Нане­сением покрытий на основе нитридов титана и молибдена упрочняют инст­рументы из твердых сплавов, быстро­режущих и инструментальных ста­лей.

Таблица 9.6. Повышение стойкости режущего инструмента при нанесении износостойкого покрытия (нитрида титана) конденсацией с ионной бомбардировкой

При этом значительно повыша­ется их стойкость, предотвращается диффузионный износ и увеличивает­ся стойкость к воздействию кислот (табл. 9.6).

У становка для упрочнения поверх­ностей деталей конденсацией метал­ла с ионной бомбардировкой (рис. 9.13) состоит из камеры 4, представ­ляющей собой цилиндрический со­суд. Ось камеры расположена гори­зонтально. На обоих торцах камеры на петлях крепятся крышки. В ниж­ней части камера имеет четыре крон­штейна. В кронштейнах крепятся ус­тановочные винты, при помощи кото­рых камера выставляется в необхо­димом положении.

В корпусе камеры и крышки при­паяны медные трубки, соединенные с системой водяного охлаждения 12. В верхней части камеры расположен катодный узел, включающий в себя фокусирующую катушку 1, катод 2 и поджигающий электрод 3. Катод представляет собой монолитный цилиндр, на испаряемом торце которого имеется буртик высотой 2 мм, пре­пятствующий уходу катодного пятна при горении дуги на боковую поверх­ность цилиндра. Вакуумное уплотне­ние катодного узла осуществляется двумя втулками, резиновым уплотни­телем и гайкой. Втулки и уплотнитель электрически изолируют катод­ный узел от корпуса.

Внутри камеры расположена под­ложка 5, на которую устанавливают упрочняемые детали. Необходимое давление в камере на всех режимах обеспечивается вакуумной системой, включающей в себя высоковакуум­ный агрегат 8, азотную 6 и водяную 7 ловушки, нагреватель 9, форвакуумный насос 10 и систему измерения ва­куума 11 (или 12 измерения водяного охлаждения).

Технические данные установки

Площадь упрочняемой поверхности под одним испарителем, дм².......................................2

Скорость осаждения пленки на расстоянии 270 мм от испарителя, мкм/ч ....................До40

Рабочее давление в ка­мере, Па ...................................................................2,66*10^-3 -6,65*10^-1

Время откачки камеры до давления 1,33 Па (форвакуумным насо­сом), мин ..........20 — 30

Время откачки каморы до давления6,65*10^-3 Па(высоковакуумным агрегатом),мин 30—45

Напряжение сети пере­менного тока частотой 50 Гц, В ............................................... 380/220

Номинальный рабочий

ток дуги, А ......................................................................................................................75—180