5. Технологія нанесення, обробки та контролю газотермічних покриттів лекція 34 Технологія нанесення газотермічних покриттів

1. Основне устаткування для плазмового нанесення

Розглянемо технологічний ланцюжок на прикладі плазмового напилення, яке одержало найбільше розповсюдження в промисловості. Основні технологічні операції, що використовують при плазмовому напиленні, характерні і для інших видів ГТН.

Перелік технологічного обладнання

1. Установка для напилення.

2. Камера-напівавтомат 15В-Б (02) чи переобладнаний токарний верстат.

3. Камера для струминно-абразивної обробки.

4. Шафа сушильна з граничною температурою 700 °С. 

5. Ваги лабораторні.

6. Мікрометр за ГОСТ 6507 – 78. 

7. Штангенциркуль за ГОСТ 166 – 80. 

8. Захисні окуляри за ГОСТ 12.4.080 – 79.

1. Технологічні вимоги

Вимоги до порошків

1. Всі матеріали повинні відповідати сертифікату, в якому зазначені хімічний склад, розмір частинок, марка порошку та дата виготовлення.

2. Для плазмового напилення застосовують порошки з гранулометричним складом в границях 10 – 125 мкм.

Вимоги до виробів, на які наносять покриття

1. Вироби повинні бути оброблені відповідно до креслень.

2. На робочих поверхнях не має бути задирів, зварювальних крапель металу, напливів від пайки, залишків флюсу, раковин, іржи, тріщин і т. д.

3. Нанесення на поверхні отворів і труб можливо лише при відношенні довжини до діаметра, що дорівнює або менше 2.

2. Технологічна схема

Сушка або прожарювання порошку

Механічна обробка виробів

Обезжирення

Ізоляція поверхонь, що не підлягають напилюванню

Придання необхідної шорсткості поверхням виробів з металів перед напилюванням (у разі необхідності попереднє підігрівання виробів)

Напилювання покриттів (у разі необхідності напилювання проміжного шару)

тонтроль якості покриття

Механічна обробка

Контроль якості покриття

3. Підготовка поверхні напилюваної деталі

Якісна обробка поверхонь виробів перед напилюванням багато в чому гарантує високу адгезійну міцність покриттів. Зазвичай поверхня виробу, що надходить на напилювання, містить безліч різних забруднень:

а) фізичні чи механічні забруднення — ворсинки, пил, абразивні частинки та ін.;

б) забруднення, розчинні у воді, — солі, кислоти, луги та ін.;

в) органічні забруднення у вигляді плівок — віск, парафін, мастило та ін.;

г) хімічно зв'язані забруднення — сульфідні, оксидні, нітридні сполуки;

д) газоподібні забруднення, адсорбовані поверхнею.

Поверхня виробів, що надходять на напилювання, знаходиться в стані термодинамічної рівноваги. Вільні зв'язки поверхневих атомів насичені хімічними зв'язками забруднень.

Підготовка поверхні перед напилюванням має за мету: видалення жирових та інших видів забруднень, видалення оксидних і більш складних плівок при підготовці металевих, металідних чи металоїдних поверхонь.

Поряд з цим необхідно активувати напилювану поверхню, тобто вивести її зі стану термодинамічної рівноваги. Для цього необхідно розірвати зв'язки між поверхневими і сторонніми атомами твердого тіла, підвищити енергію поверхневих атомів до рівня забезпечення їхньої хімічної взаємодії з напилюваними частинками. При напилюванні покриттів на активовану поверхню необхідно враховувати можливість швидкої втрати придбаних властивостей. Хімічна адсорбція атмосферних газів відновлює звільнені міжатомні зв'язки.

Активація напилюваної поверхні значно підсилюється при утворенні в поверхневому шарі структурних дефектів. При цьому не тільки зростає енергія атомів, але і збільшується швидкість їхньої дифузії в процесі хімічної взаємодії.

Підготовку поверхні треба проводити з таким розрахунком, щоб поряд з очищенням здійснювався і процес її активації. Вибір способу підготовки залежить від матеріалу напилюваного виробу і його конструкції. Необхідно враховувати у виробі наявність тонкостінних елементів. У цьому випадку активні зрушені деформації в поверхневих шарах приведуть до викривлення геометрії виробу.

Знежирення напилюваних виробів

Знежирення має на меті видалення різного роду жирових забруднень. Разом з попереднім і наступним промиваннями видаляється більшість різних забруднень, хімічно не зв'язаних з поверхнею виробу. Знежиренню піддають практично всі напилювані вироби. Обробку ведуть у ваннах чи застосовують місцеве знежирення, за допомогою протирання дрантям чи бавовняними серветками.

Рекомендуються багато складів ванн і режимів обробки. Зокрема:

1) 35-40 г/л тринатрійфосфату; 2) 40-45 г/л кальцинованої соди. Температура ванни 75-85 °С; час знежирення 20-25 хв. Потім промивають гарячою і холодною проточною водою з наступним сушінням стисненим повітрям, підігрітим до температури 50 °С. 

Широке поширення одержало знежирення у ваннах з органічними розчинниками, наприклад, «Ломбид — 315» та ін. Для місцевого знежирення застосовують більш сильні розчинники: бензин, уайт-спірит, ацетон тощо.

Очищення напилюваних поверхонь від хімічно зв'язаних спалук

Застосовують різні способи очищення: абразивно-струминне; травлення; впливом ультразвуку; тліючими і дуговими розрядами; НВЧ-полем та ін.

1) Абразивно-струминне очищення. Належить до найбільш розповсюдженого методу підготовки поверхні при газотермічному напилюванні. Обробку поверхні проводять струменем стиснутого повітря з абразивними частинками в захисних камерах. Процес здійснюють як вручну, так і з застосуванням механізації. Як абразивні частинки використовують електрокорунд, карбід кремнію, дріб чавунну (ДЧК) і сталеву (ДСК) та ін. Стиснене повітря має бути добре очищено і відповідати встановленому стандарту. Розмір абразивних частинок складає 0,3—1,5 мм. Тиск повітря вибирають у межах 0,4—0,7 МПа; дистанцію обробки — у межах 0,08—0,15 м; кут зустрічі 60—90°; витрата абразивних частинок 300—500 кг/год. Контроль поверхні здійснюють по еталонних зразках. На адгезійну міцність особливо впливає марка дробу і розмір частинок.

Вилежування після обробки має бути мінімальним. Час релаксації для кожного матеріалу різний. Тому в ряді виробничих інструкцій термін вилежування складає не більш 2—5 год.

Абразивно-струминна обробка вносить істотні зміни в поверхневі шари напилюваної деталі. Відбувається насичення їх структурними дефектами. Поверхня набуває аномальних фізико-хімічних властивостей. При цьому різко зростає швидкість дифузії поверхневих атомів і їхня енергія.

2) Травлення, хімічне й електричне полірування. При цих способах підготовки напилюваних виробів розкриваються енергетично стабільні елементи поверхні у вигляді терас, граней та ін. Додаткові порушення кристалічних ґраток незначні чи взагалі відсутні. Усе це не сприяє активації поверхні при її очищенні.

Склади ванн і режими вибирають виходячи з властивостей матеріалу напилюваного виробу. Неправильно обраний склад може дати негативні результати через пасивацію поверхні. Ці способи в основному застосовують при підготовці виробів малого розміру та наявності тонкостінних елементів.

3) Очищення поверхні електричними газовими розрядами. Останнім часом одержують велике поширення способи плазмового напилювання в герметичних камерах при нормальному і зниженому тиску плазмоутворюючого газу. Завдяки цьому з'являється можливість остаточного очищення поверхні виробів газовими електричними розрядами. При подальшому розвитку рівня техніки з'явиться можливість використовувати таке очищення і при інших методах газотермічного напилювання. Очищення тліючим розрядом проводять при невисокому розрідженні (100-0,1 Па) із застосуванням бомбардувальних важких іонів аргону. Прискорені іони здатні зміщати атоми в кристалічних гратках чи вибивати їх. Для цього потрібна енергія іонів, що перевищує граничні значення. Величина її залежить від теплофізичних властивостей матеріалу виробу, що очищається. Обробка поверхні прискореними іонами не тільки очищає поверхню, але й значною мірою її активує. Експериментально виявляються дислокації на глибині до 0,05 мм. У поверхневих шарах з'являються вакансії і дислокації. Для очищення тліючими розрядами використовують режими процесу: =30-60 мА; =1,5 -3,0 кВ; час очищення 5 — 25 с. Поряд із тліючими для очищення напилюваної поверхні можуть бути використані і дугові розряди. І в цьому випадку на поверхні спостерігаються ерозійні процеси. Однак характер руйнування інший. Сліди враження дуговим розрядом мають вигляд прилягаючих одна до одної лунок з нерівномірним їхнім розташуванням. У центрі лунки і біля неї виявляється розплавлений матеріал. У зоні термічного впливу спостерігається дроблення зерен на субзерна, що містять велику кількість дислокацій. Дослідження і практика показують, що для очищення поверхні найбільш доцільно використовувати дуговий розряд в імпульсному режимі горіння. Цим значною мірою попереджується перегрів оброблюваного виробу і поліпшується якість підготовки. Орієнтовно режими дугового очищення імпульсними розрядами складають =10-30 А; = 15-20 В; t =10-15 с.

Піскоструминна обробка

Поверхню напилюваного виробу піддають піскоструминній обробці. Така підготовка:

- по-перше, очищує поверхню і виводить її зі стану термодинамічної рівноваги із середовищем, звільняючи міжатомні зв'язки поверхневих атомів, тобто хімічно активує підкладку, але активність підкладки швидко падає через хімічну адсорбцію газів з атмосфери й окислювання.

- по-друге, піскоструминна обробка робить поверхню підкладки шорсткуватою, що збільшує контактну температуру під напилюваними частинками на виступах шорсткості і відповідно підвищує сумарну площу ділянок приварювання.

- по-третє, шорсткувата поверхня має велику площу порівняно з гладкою, що також сприяє збільшенню міцності зчеплення. У зв'язку з рядом технічних незручностей, властивих піскоструминній обробці, даним часом її іноді заміняють хімічним травленням, що також робить поверхню металу шорсткуватою і дуже розвиненою.

Попередня підготовка поверхні підкладки, зокрема її піскоструминна обробка, впливає на дифузію в контакті між матеріалом покриття і підкладки. Внаслідок обробки поверхневий шар підкладки насичується структурними дефектами і набуває аномальні фізико-хімічні властивості. Такий стан відбивається на кінетиці дифузійних процесів.

ЛЕКЦІЯ 35

Механічна обробка поверхонь

35.1. Особливості механічної обробки газотермічних покриттів

Напилені покриття мають підвищену шорсткість поверхні і, звичайно, деяку нерівномірність по товщині. Тому більшість виробів з напиленими покриттями піддають остаточній механічній обробці. При цьому мають на меті таке: придання виробу остаточних розмірів і доведення поверхні покриття до необхідного класу чистоти. Механічна обробка напилених покриттів є відповідальною і важкою операцією, оскільки внаслідок неправильного її проведення покриття може прийти в непридатність. Тому при виборі методу напилення, матеріалу покриття і технології необхідно враховувати характер подальшої механічної обробки. Передусім, необхідно правильно призначити допуски на обробку з урахуванням їхніх мінімальних значень. Висота нерівностей напиленої поверхні в основному визначається зернистістю напилюваного порошку: дрібний порошок дає менш шорсткувату поверхню, великий — більш грубу.

При шліфуванні газотермічних покриттів вони нагріваються в місці контакту шліфувального круга та поверхні покриття. Але коефіцієнт розширення у них і металічної основи різний. Ступінь нагрівання шару покриття вищий ніж основи. Тому при різкому нагріванні і охолодженні в покритті виникають внутрішні напруження. Величина їх залежить від природи матеріалів покриття та основи, а також від температури в контакті.

Якщо вважати, що при шліфуванні масивних деталей тепловий потік зосереджується в основному в покритті і температура на поверхні покриття t а біля основи to, то, взявши елемент його довжиною , а при поверхні деталі , маємо

(35.1)

або

(35.2)

де – довжина елемента на поверхні покриття, – довжина покриття біля поверхні деталі. Якщо покриття жорстко закріплено на поверхні деталі і вважати, що деталь масивна і не нагрівається або нагрівається незначно, то в покритті будуть виникати напруження, величина яких визначається формулою

(35.3)

Залежно від умов шліфування в покритті можуть виникати як від`ємні, так і позитивні напруження, які можуть приводити до виникнення тріщин в покритті. Для прикладу розглянемо гетерогенну структуру покриття яка складається з дуже твердих частинок і м’якої металічної матриці.