книги / Специальные плазменные технологии

Таблица 6

Состав порошковых твердых сплавов, %

Порошки ПГ 10Н-03, ПГ10Н-04 системы Ni – B – Si низкоуглеродистые, отсутствие в их составе хрома снижает твердость. Покрытия обладают высокой коррозионной стойкостью, хорошо сопротивляются ударным нагрузкам. Их применяют для восстановления посадочных мест под подшипники, зубчатых колес, кулачковых муфт, штампового инструмента. Порошок ПТ-19Н-01 биметаллический, экзотермический, состоящий из смеси никеля и алюминия. Порошок коррозионно- и износостойкий применяется для напыления шпинделей станков, деталей автотракторных двигателей. Покрытие хорошо обрабатываетсярезаньем.

Порошок ПС-12НВК-01 (HRC 57–64) состоит из композиции: порошок ПГ-10Н-01 (65 %) + порошок карбида вольфрама (35 %). Покрытия обладают высокой износостойкостью. Их применяют для восстановления подвижных и неподвижных соединений. Покрытие обрабатывают шлифованием.

Порошки марок ПН70Ю30, ПН85Ю15, ПН55Т45 являются металлидами, частицы которых представляют собой химическое соединение двух металлов (NiAl, Ni3Al, AlTi и др.). Порошки имеют высокую температуру плавления (до 1600 °С) и применяются в в качестве жаро- и износостойких покрытий, пригодных

111

для работы в окислительных и щелочных средах. Прочность сцепления покрытий со сталью составляет 35–45 МПа. Покрытие обрабатывается точением и шлифованием. Прочность сцепления покрытия ПН55Т45 с основой составляет 45–50 МПа.

3.7.3.Керамические материалы для напыления

Ккерамическим покрытиям относят оксиды металлов, бориды, нитриды, силикаты и карбиды. Керамика является тугоплавким материалом, для плавления которого необходима температура до 3000 °С, так что газопламенное напыление не обеспечивает температуры, необходимой для напыления керамическими материалами.

При использовании плазменного и детонационного способов температура плавления напыляемого материала не имеет значения, поэтому названными способами можно напылять любые материалы, способные к расплавлению при нагреве. Тем не менее в настоящее время из большого многообразия керамических материалов для напыления наиболее широко используют оксиды и карбиды.

Оксиды. По сравнению с другими высокотемпературными материалами оксиды сочетают низкую теплопроводность и электропроводность и значительную прочность при высоких темпе-

ратурах. Наиболее часто для напыления используют Al2O3 и ZrО2. Во время нагрева диоксида циркония при температуре около 1200 °С протекает эндотермическая реакция, сопровождающаяся усадкой из-за структурных превращений. При отжиге диоксида циркония с добавками оксида кальция или оксида магния эти превращения можно подавить, и такой диоксид циркония называется стабилизированным. Покрытия из стабилизированного диоксида циркония обладают большей стойкостью к тепловым ударам и реже отделяются от основы, чем покрытия из нестабилизированного ZrО2.

112

Карбиды. Температура плавления карбидов металлов значительно выше температур плавления самих металлов. Температуры, при которых происходит размягчение карбидов, превышают 3000 °С. При нагреве в окислительной атмосфере некоторые карбиды могут разрушаться, однако большинство из них обладает в этих условиях лучшей жаростойкостью по сравнению с жаростойкими металлами, а значительная часть карбидов имеет большую стойкость к окислению, чем углерод и графит. Эта особенность карбидов и достаточный уровень механических свойств при высокой температуре предполагает их использование в качестве жаростойкого покрытия.

Особенно высокой жаростойкостью обладают карбиды кремния и титана. Почти все карбиды имеют высокие теплопроводность и электропроводность, а карбиды кремния, титана и вольфрама, обладая особо высокой твердостью, находят широкое применение в изготовлении режущих и шлифовальных инструментов, а также для напыления с целью повышения износостойкости. Для напыления в основном применяют карбиды вольфрама, хрома, титана, циркония и тантала. Наиболее широкое применение получил карбид вольфрама. Как напыляемые материалы карбиды нередко применяют в смеси со связующим, в качестве которого для карбида вольфрама используют кобальт (12–17 %), а для карбида хрома – сплавы никеля (15–25 %).

3.8. ТЕХНОЛОГИЯ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ

Напыление как процесс ударного осаждения нагретых до плавления частиц на поверхности основного металла включает следующие операции: подготовка порошка, подготовка поверхности изделия для обеспечения хорошей адгезии частиц напыляемого материала, напыление, последующая обработка покрытия, осуществляемая по необходимости и включающая термообработку и уплотнительную обработку термическим или иным

113

способом; чистовая отделка поверхности покрытия. Подготовка порошка заключается в сушке при температуре 150–200 °С. Для подбора порошка с заданной дисперсностью гранул производится просеивание через сито с размером ячеек, соответствующим требуемым размерам частиц порошка.

Предварительная обработка поверхности основы отно-

сится к числу важнейших факторов, определяющих прочность сцепления напыленного покрытия с основным металлом. Детали, подлежащие напылению, очищают от загрязнений в моющих препаратах типа «Лобомид-102».

Основной подготовительной операцией является образование на поверхности необходимой шероховатости, которая оказывает существенное влияние не только на прочность сцепления напыляемого слоя с подложкой, но и на усталость восстанавливаемой детали. Для придания шероховатости предпочтительней использовать дробеструйную обработку чугунной крошкой с размером частиц 1,5–2,0 мм при давлении воздуха 0,5–0,6 МПа. Другие методы получения на поверхности шероховатости (нарезание рваной резьбы, электроискровая или электромеханическая обработка, анодно-механическое шлифование) снижают сопротивление усталости деталей. Напыляемую поверхность перед обработкой требуется обезжирить. Участки изделий, прилегающие к напыляемым поверхностям, защищают специальными экранами.

Нанесение покрытия следует начинать вскоре после окончания предварительной обработки поверхности, поскольку уже через два часа на активированной поверхности появляется оксидная пленка, снижающая прочность сцепления покрытия с основным металлом.

При необходимости производится нанесение на поверхность изделия подслоя материала, обладающего высокой адгезией к основному металлу (например, молибдена или алюминида никеля). Напылением молибденом или плакированным порошком системы никель-алюминий на поверхности основного

114

металла получают тонкое покрытие с шероховатой поверхностью, на которую можно напылять другой материал. Молибденовое покрытие и покрытие плакированным порошком широко используют при напылении на углеродистую и коррозионностойкую сталь. Покрытия в качестве подслоя имеют обычно толщину порядка 0,05–0,13 мм.

При напылении алюминиевого покрытия толщиной более 0,2 мм или цинкового – толщиной более 0,25 мм на поверхность напыляют подслой (~0,03 мм) из углеродистой стали, содержание углерода в которой не превышает 0,25 %. Такой подслой позволяет в значительной степени повысить прочность сцепления алюминиевого или цинкового покрытия с основой, исключая опасность его отслаивания.

Напыление. Процесс напыления необходимо осуществлять в режимах, оптимальных для выбранного способа и типа оборудования. Оптимальное расстояние от среза сопла горелки до поверхности напыления обычно не выходит за пределы 75–250 мм. При малой дистанции напыления создается опасность деформации основного металла под влиянием термических напряжений; когда же расстояние слишком большое, температура и скорость напыляемых частиц снижается, что приводит к образованию рыхлого покрытия и уменьшению прочности сцепления с основой. Угол напыления оказывает заметное влияние на качество напыления. Наибольшая деформация напыляемых частиц при соударении с поверхностью основы происходит, если горелка установлена перпендикулярно к ее поверхности. В случаях, когда невозможно обеспечить этот угол, допускается отклонение от вертикали, но не более чем на 45°. При угле напыления менее 90° несколько снижается качество покрытия. Перегрев поверхности основного металла в процессе напыления может вызывать снижение прочности сцепления покрытия или становится причиной деформации. Температура поверхности основного металла не должна превышать 260 °С. При отрицательных температурах проводить напыление не рекомендуется, так как покрытие

115

может отслоиться или растрескаться. В таких случаях рекомендуется предварительный подогрев основного металла до темпе-

ратуры 120–150 °С.

Для получения покрытия равномерной толщины желательно, чтобы толщина напыляемого за один проход слоя покрытия не превышала 0,25 мм. Покрытие требуемой толщины следует напылять за несколько проходов.

При нанесении покрытия необходимо учитывать, что на поверхности основы происходит усадка напыленного слоя. При большой толщине покрытия под действием остаточных напряжений, которые появляются в нем в результате усадки напыленного материала, происходит разрушение контактной зоны и в конечном счете отделение покрытия от основы. При напылении на внутреннюю поверхность труб материалов, имеющих большую усадку, происходит вспучивание покрытия. Поэтому в таких случаях напыляют покрытия минимально допустимой толщины. Одним из путей предотвращения вспучивания покрытия является предварительный подогрев основы до соответствующей температуры (в диапазоне допустимых температур).

Минимальная толщина покрытия должна включать припуск на обработку после напыления и некоторый допуск на возможный износ. В частности, при восстановлении валов напылением при диаметре 76–100 мм толщина покрытия должна составлять не менее 0,6 мм. На участках, где необходима запрессовка, независимо от диаметра вала следует напылять покрытия толщи-

ной ~0,13 мм.

Очень важно, чтобы напыление проходило на оптимально выбранной и поддерживаемой на заданном уровне скорости подачи напыляемого материала.

Обработка покрытия. Покрытие, полученное после напыления, имеет остаточную пористость. Для ряда случаев пористость является полезным свойством, а для других она нежелательна и требует принятия мер по ее ликвидации. Один из способов ликвидации пор – нанесение слоя краски на поверхность

116

покрытия. Находит применение также способ заполнения пор за счет пропитки покрытия специальными составами, а для покрытий, напыленных самофлюсующимися сплавами, проводят оплавление после их нанесения. Для улучшения механических свойств и термостойкости покрытий их нередко подвергают последующей термообработке. Окраску покрытий проводят в основном для того, чтобы повысить антикоррозионную стойкость покрытий, наносимых на черные металлы. Проникание красителя внутрь пор способствует упрочнению напыленного покрытия при одновременном повышении стойкости самого красителя. Для окраски покрытий используют хлорвиниловые, эпоксидные, фенольные и другие красители.

Для повышения жаростойкости покрытий в качестве пропитки используют кремнийорганические соединения. В состав средства для пропитки пор входят следующие компоненты: 5 % алюминиевого порошка, 15 % кремнийорганической смолы и 80 % растворителя. В качестве растворителей используют спирты, ароматические углеводороды или эфиры.

Оплавление покрытий из самофлюсующихся сплавав выполняют плазменной или газовой горелкой. Оптимальной температурой, при которой происходит оплавление покрытия, принято считать температуру, когда поверхность покрытия становится зеркальной и в ней отражается сопло нагревательной горелки. При перегреве покрытия не исключены его подтеки, вызывающие в данном месте локальное снижение толщины; после охлаждения этой зоны на покрытии возникают усадочные раковины, придающие поверхности покрытия губчатый характер. При этом заметно снижается твердость покрытия.

Оплавление покрытий можно осуществлять в печи с восстановительной атмосферой, создаваемой газами при сгорании древесного угля или аммиаком, или в печах с нейтральной атмосферой, для образования которой используют водород или азот.

Высокочастотный индукционный нагрев для оплавления применяют в основном в массовом производстве при изготовлении деталей простой формы.

117

Чистовая обработка покрытий. После напыления раз-

мер изделий со слоем покрытия не имеет достаточной точности, а сама поверхность получается неровной и относительно шероховатой. Поэтому при напылении дают обычно припуск на последующую механическую обработку, которую осуществляют резанием или мокрым шлифованием. При необходимости пропитки пор ее желательно проводить до чистовой механической обработки покрытия, чтобы исключить попадание в поры загрязнений (охлаждающей жидкости, мелкой стружки и т. п.).

Для обработки покрытий из углеродистых и коррозионностойких сталей можно использовать быстрорежущий и твердосплавный инструмент. Задача получения хорошей отделки при шлифовании покрытий требует тщательного выбора абразивных инструментов и режима шлифования. Обычно для этой цели используют сравнительно крупнозернистые шлифовальные камни с низким содержанием связующих.

Покрытия из самофлюсующихся сплавов подвергаются обработке резанием с помощью твердосплавных инструментов, хотя в большинстве случаев практикуют мокрое шлифование. При мокром шлифовании используют охлаждающую воду с добавлением ингибитора коррозии.

Керамические покрытия подвергают черновой и прецизионной обработке. Для черновой обработки используют шлифовальные круги умеренной твердости, изготовленные из карбида кремния. Прецизионное шлифование осуществляют алмазными кругами, изготовленными из крупнозернистого, среднезернистого и мелкозернистого сырья с резиновой связкой.

3.9. КОНТРОЛЬКАЧЕСТВАПОРОШКОВЫХПОКРЫТИЙ

Контроль напыленных изделий состоит из следующих операций: определение толщины покрытия; внешний осмотр напыленного изделия; выявление скрытых дефектов; оценка адгезионной прочности.

118

Толщину покрытия определяют мерительными инструментами, весовыми способами, специальными толщиномерами и другими приемами. При замере толщины покрытия мерительными инструментами необходимо знание исходных размеров напыляемого изделия. При определении толщины покрытий на сложных поверхностях небольших изделий, например газотурбинных лопаток, используют весовые способы. Для этого должна быть известна исходная масса изделия и размеры напыляемой поверхности. Весовой способ позволяет определять среднюю толщину покрытия. Наиболее простой способ– определение толщины покрытий специальными приборами – толщиномерами. Как правило, такие приборынастраиваютнаодинилинесколькоматериаловпокрытий.

При внешнем осмотре покрытия контролируется общее состояние поверхности напыления: трещины, сколы, вспучивания и т.д. Для более тщательного осмотра применяют лупы с увеличением до 10 и более раз.

Скрытые дефекты, такие как микротрещины, локальные отслоения, макро- и микронесплошности, выявляются с большими трудностями или вовсе не поддаются контролю. В ряде случаев некоторые дефекты удается выявить, применяя ультразвуковые способы контроля.

Оценить адгезионную прочность непосредственно на напыленном изделии очень трудно. Обычно ее определяют на образцахсвидетелях или выборочно на напыленных изделиях. В последнем случае применяют как косвенные, так и прямые определения. Ккосвенным методам относят различные способы: царапание, изгиб и т. д. К прямым определениям относят отрыв или сдвиг части покрытияна напыленномизделии.

3.10. ОБЛАСТИПРИМЕНЕНИЯПОРОШКОВЫХПОКРЫТИЙ

Изделия с рабочими поверхностями, полученными плазменным напылением порошковых покрытий, используются в ответственных конструкциях различного назначения.

119

Автомобильная промышленность: распределительные и коленчатые валы, валы водяных насосов, шкворни, разжимные кулаки тормозов, головки поршней, цилиндры, поршневые кольца, диски сцепления, выхлопныеклапаныит. п.

Авиационная промышленность: сопла ракетных двигателей, элементы реактивных двигателей, лопатки турбин, различные переходники, наконечники, листы для облицовки фюзеляжа и т. п. Напыление широко применяют и для реставрации деталей при капитальном ремонте двигателей. К примеру, без технологии напыления детали авиадвигателей прежде подвергали капитальному ремонту после 4000 ч работы, а в настоящее время продолжительность работы двигателя до капитального ремонта увеличена до 24000 ч за счет продления срока службы его деталей после применения технологии напыления для их упрочнения.

Электротехническая промышленность: конденсаторы, отражательныеповерхности антенн системсвязии т. п.

Цементная промышленность: лопасти вентиляторов, детали конвейеров, клапаны и седла клапанов, подшипники и т. п.

Химическая промышленность: клапаны и седла клапанов, валы и крыльчатки (рабочие колеса) насосов, корпуса насосов химических циркуляционных систем, плунжеры, цилиндры и кольца кислотоупорных насосов и т. п.

Угольная и металлургическая промышленность: лопасти дымососов, детали ковшей и черпаков, грохоты классификаторов, детали воздуходувок, матрицы, пуансоны и другие элементы штампов, пресс-форм и т. п.

Энергетическая промышленность: шнеки питателей для подачи угля, детали вентиляторов и дымосов для отвода отходящих газов, паровые клапаны, детали конвейеров и т. п.

Изделия общего назначения: калибры, резьбовые калибры, оправки, детали шлифовальных станков, центры токарных станков, шпиндели и валы, шнеки экструзионных машин и т. п.

Прочие изделия: подшипники различных конструкций, коленчатые валы, ролики и валки, зубья шестерен и т. п.

120