(ГаврилюкВ С.)

35.1. Основные способы напыления

Напыление как метод нанесения покрытий газотермическими способами, осуществляется высокотемпературной газовой струей, содержащей расплавленные частицы напыляемого материала. При столкновении с обрабатываемой поверхностью проис­ходит деформация нагретых частиц, возникают силы сцеп­ления в месте контакта, устанавливается термическое рав­новесие. Главным в этих процессах является стадия возникно­вения связей между основой и напыленными частицами и
между самими частицами, обусловленных механическим зацеп­лением, физическим и химическим взаимодействием (силы Ван-дер-Ваальса) с образованием межатомных связей.

Рис 35 1 Схема газопламенного напыле­ния

1 — напыляемый материал, 2 — централь­ный канал горелки, 3 — водородное илн пропаиовое пламя; 4— подача сжатого воздуха, 5 — мелкие капли расплавлен­ного напыляемого материала, 6 — напылен­ный слой

В зависимости от источника нагрева различают три основ­ных способа напыления: газопламенный, дуговую металлиза­цию и плазменно-дуговой.

2

— 4-

р——О О ■

Рис 35 2 Схема электродуговой метал­лизации

1 — напыляемый материал, 2 — источник постоянного тока, 3 — электрическая ду­га, 4 — сопло для подачи сжатого воз­духа, 5 — мелкие частицы расплавленного напыляемого металла, 6 — напыленный слой

При газопламенном процессе (рис. 35.1) напыляемый ма­териал 1 в виде прутка или проволоки подается в центральное отверстие 2 в горелке и расплавляется в рабочей части кисло­родоацетиленового, пропанового или водородного пламени 3. Расплавленные частицы подхватываются струей сжатого воз­духа 4 ив виде мелких капель 5 осаждаются на обрабаты­ваемой поверхности 6, расположенной в 100—150 мм от сопла горелки. Проволока подается специальным электромеханиче­ским проводом. Порошкообразный материал подается транс­портирующим газом, роль которого чаще всего выполняет го­рючая смесь. Способ характеризуется простотой технологии, низкой стоимостью оборудования, универсальностью. Недоста­ток— слабая связь напыленного слоя с материалом детали.

При электродуговой металлизации (рис. 35.2) к проволо­кам из напыляемого материала 1, подаваемого электрическим или воздушно-механическим приводом, подводится напряже­ние от источника постоянного сварочного тока 2 и возбужда­ется электрическая дуга 3. В дуговой промежуток через сопло 4 подается сжатый воздух или другой газораспылитель, кото­рый переносит расплавленный металл в виде мелких части­чек 5 на обрабатываемую поверхность 6, расположенную на расстоянии 100—200 мм от сопла металлизатора.

Рис 35 3 Виды плазмотронов я — с косвенной д>гой для напыления порошка, б — косвенной дугой для распыления проволоки, в — с прямой дугой для распыления проволоки

3

/

2

А-

Г

»

У/

Дуговая металлизация — высокопроизводительный процесс, в несколько раз превосходящий газопламенный, обеспечивает лучшее соединение с основным металлом. Недостатком явля­ется возможность перегрева и окисления напыляемого мате­риала, а также частичное выгорание из него легирующих ком­понентов.

Плазменное напыление в зависимости от вида напыляемого материала, а также от схемы подключения источника тока мо­жет производиться с использованием плазмотронов трех видов (рис. 35.3): с косвенной дугой для напыления порошка (рис.

35.3, а), с косвенной или прямой дугой для распыления прово­локи (рис. 35.3,6, в). Напряжение от источника постоянного тока 1 подводится к водоохлаждаемому корпусу плазмотрона 2 и изолированному от него неплавящемуся электроду 3. По­рошкообразный наплавочный материал 5 подается в сопло струей транспортирующего газа, нагревается и направляется на обрабатываемое изделие 6. Вследствие нагрева скорость транспортирующего газа при выходе из сопла возрастает, ки­

нетическая энергия порошка увеличивается, что способствует лучшему его сцеплению с наплавляемой поверхностью. Прово­лочный или прутковый материал 7 подается специальным по­дающим механизмом в непосредственной близости от сопла плазмотрона (рис. 35.3, б, в). В случае, когда сварочный ток подводится не только к корпусу плазмотрона, но и к наплав­ляемой проволоке (рис. 35.3, в), доля энергии, передаваемая дугой наплавленному металлу, возрастает в 3—5 раз; соответ­ственно повышается и производительность наплавки.

Достоинством плазменного напыления является возмож­ность применения для широкого спектра материалов как в ат­мосфере, так и защитных камерах. Недостатками являются высокая стоимость процесса, относительно низкая производи­тельность, высокий уровень шума.

35.2. Материалы для напыления

Для напыления могут быть использованы проволоки, прутки и порошковые материалы. При дуговом напылении чаще ис­пользуют проволоку или прутки, позволяющие обеспечить их непрерывную и равномерную подачу в высокотемпературную зону Их разновидности и характеристики даны в гл. 29.

При плазменном и газопламенном напылении широко ис­пользуются материалы в виде порошков[2]. Порошковые мате­риалы могут быть изготовлены практически из любых сплавов или неметаллических материалов по относительно простой технологии. Форма, гранулометрический состав, сыпучесть по­рошков оказывают большое влияние на качество напыленного слоя и должны оговариваться ГОСТом или ТУ на изготовление.

35.2.1. Порошки из чистых металлов

Напыление чистыми Металлами применяют, как правило, для придания по­верхностям свойств, присущих этим металлам, или для получения про­межуточных слоев, обеспечивающих хорошую адгезию с основным метал­лом. Некоторые металлические порошки указаны ниже:

Материал Марка порошка

Алюминий. . . ПАД АСД-Т

Вольфрам…. ПВП-1, ПВП-2 Кобальт…. ПК-1, ПК-2

Медь……………………. ПМС-В, ПМС-Ву

Молибден…. ПНЭ1, ПНЭ2 Никель ПНК2К8, ПНК2К9

Титан. … ПТС

Хром…………………….. ПХ1, ПХ2

Например, алюминиевое покрытие (99,8 % А1) позволяет получить слой, об­ладающий стойкостью к высокотемпературному окислению, к общей корро­зии, молибденовое — хорошую адгезию с черными металлами в качестве подслоя, а также для повышения износостойкости коррозионной стойкости в соляной кислоте Медь применяют для создания электропроводящих кон­тактов, а ее сплавы — для повышения коррозионной стойкости (алюминие­вые бронзы), износостойкости и антифрикционных свойств (фосфористые и свинцовистые бронзы), коррозионной стойкости в морской воде (латуни). Никель и его сплавы (нихром и др.) применяют для защиты от эрозионного воздействия, окисления при высоких температурах, воздействия некоторых кислот и щелочей, а также для нанесения промежуточного слоя.

35.2.2. Порошковые материалы сложного состава

Порошки из самофлюсующихся сплавов отличаются высокой плотностью и могут применяться для изделий, работающих в условиях повышенного из­носа, высоких температур, в активных средах Порошки этих сплавов с по­вышенным содержанием бора, кобальта или вольфрама отличаются особо высокой износостойкостью и плохой обрабатываемостью (ПГ-СР2, 3, 4; ПГ-АНЗ, 4, 5, 6, 7; СНГН50, 60 и др.) (табл. 35.1).

ТАБЛИЦА 35./

Характер работы поверхности

РЕКОМЕНДУЕМЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ НЕКОТОРЫХ ПОРОШКОВ

Рекомендуемые материалы для напыления *

Абразивный изиос

Абразивный износ при повышенных температурах, умеренных ударах Износ при Т до 550 °С, воздействие агрессивных сред

Трение о металл с абразивным из­носом, ударами, в агрессивных сре­дах, температуры до 600 °С

Теплоизоляционные покрытия, за­щита от высокотемпературной эро­зии

Защита от коррозии, кавитации

Восстановление чугунных деталей

ПГ-С1 (50), ПГ-УС25 (55), оксиды алю­миния — ГО, Г-00 (40—60), оксиды хро­ма — ОХН (70), шпинели алюмомагне — зиальные — ПШП, ПШПК (65),

ПГ-АН1 (54)

ПГ-С27 (53), ПНА-75 (70),ПТ-19Н-01 (65), карбиды хрома — ХА-1К, Х1-1М(40) ПГ-СР2 (40), ПГ-СРЗ (50), ПГ-СР4 (60), СНГН-55 (55), СНГН-60 (60),

ВСНГН-35 (56), ВСНГН-80 (60)

СНГН-50 (50), СНГН-55 (55), ПГ-10Н-01 (55), ПГ-12Н-02 (60)

Диоксиды циркония — ПЦП-40, ПЦП-60, ПЦП90 (35—45), оксиды алюминия —Г-0, Г-00 (40—60)

Бронзы — Бр-10, Бр-ОФ8-03 (50—

60 HRB), ПРХ18Н9 (90 HRB), ПР-19М-01 (80 HRB),

ПРХ23Н28МЗДЗТ (90 HRB) :

ПР-НА-01 (90 HRB), НА-67 (90 HRB), ПНА-75 (90 HRB)

НПЧ-2 (300 НВ), НПЧ-3 (200 НВ)

Композиционные порошки, получаемые методами конгломерирования или плакирования, находят все более широкое применение вследствие их разно­образия и относительной простоты изготовления. Плакированные никелем алюминиевые порошки типа НА-67, ПНА применяются для получения про­межуточных слоев жаропрочных покрытий или как составная часть меха­нических смесей Для напыления теплоизолирующих покрытий рекоменду­ются керамические порошки с покрытием из алюминия (AI2O3—Al, ZrOj—Al). Композиционные порошки с органическими связками типа ПТ-НА-01 пред­назначены для напыления промежуточных слоев, а ПТ-19Н-01, ТП 19Вк-01 и для восстановления изношенных деталей. В порошки ПН74Х19Ю5-К и ПН62Х16Ю20-К введены А1 и нихром, что позволяет применять их для создания жаропрочных покрытий. Порошки типа ПКВН и ВНп-15 включают различные количества вольфрама, плакированного алюминием, который при­дает напыленному слою высокую износостойкость наряду со стойкостью в агрессивных средах.

Керамические порошки в основном состоят из оксидов и карбидов ме­таллов, а также механической смеси самофлюсирующих сплавов и карби­дов. Оксиды имеют низкие теплопроводность и электропроводимость и значи­тельную жаропрочность Для напыления нередко используют порошки слож­ных составов, представляющие собой соединения оксидов двух или более металлов или их смеси (ПХНШ). Температура плавления сложных оксидов, как правило, более низкая, чем простых, что отражается иа жаропрочно­сти покрытия При работе в высокотемпературной атмосфере восстанови­тельного характера оксиды ряда металлов (церия, хрома, никеля, титана и др ) могут восстанавливаться или превращаться в оксиды высшей валент­ности с потерей первоначальных свойств. В отдельных случаях (Zr02) при нагреве могут протекать превращения, сопровождающиеся существенным из­менением объема, что приводит к отделению от основы или растрескиванию.

Карбиды тугоплавких металлов имеют температуру размягчения свыше 3000 °С и обладают большей жаростойкостью н стойкостью против окисле­ния. Эти свойства, а также высокая твердость, хорошая теплопроводность обеспечивают высокую износостойкость металлорежущего инструмента, на­пыленного карбидами

35.3. Особенности технологии напыления

Технологический процесс получения покрытия включает в себя подготовку наплавляемых материалов и основы, нанесение металлизационного подслоя (в случае необходимости) и по­крытия. Подготовка напыляемых материалов включает про­сушку порошкового напылителя, чистку проволоки или прутков, мойку и сушку поверхности обрабатываемой детали, при необ­ходимости ее поверхностную обработку: нарезку, насечку, на­катку; при нанесении слоя толщиной более 1 мм — струйную абразивную обработку. Качество нанесенного слоя определя­ется режимом обработки, который включает в себя большое ко­личество факторов, неучет которых может привести к браку. К ним относятся:

дистанция напыления: при малых расстояниях от сопла воз­можна деформация детали, при больших — рыхлость покрытия и его отслоение;

угол напыления; оптимальный угол 90°. При отклонении от 90° качество слоя снижается, при углах меньше 45° процесс производить не следует;

температура поверхности детали; рекомендуется предвари­тельный подогрев изделия до 120—150 °С;

толщина единичного слоя не должна превышать 0,25 мм. При неравномерности толщины общего слоя покрытия может произойти отслаивание и растрескивание;

скорость подачи распыляемого материала; она определяет нагрев частиц, их окисление, охлаждение в процессе движения и силу соударения. Выбранная скорость подачи должна поддер­живаться постоянной во время всего процесса.

35.4. Оценка качества напыленного слоя

К показателям, определяющим качество напыленного слоя, относятся прочность сцепления его с подложкой (на отрыв, из­гиб и на срез), пористость, износостойкость, твердость. В зави­

т

г

в

Рис 35 4 Виды испытаний на прочность соединения покрытия с ос­новным металлом а — по штифтовой методике; 6 — на отрыв; в, г — на сдвиг

симости от назначения и условий работы детали могут предъ­являться требования стойкости к окислению или коррозии при работе в специальных средах, термостойкости, теплопроводно­сти, твердости при повышенных температурах, оптические ха­рактеристики и др.

Для определения прочности соединения покрытия с основным металлом ГОСТ 14760—69 рекомендует штифтовую методику (рис. 35.4). При вытягивании штифта 1 материал покрытия 2 подвергается воздействию как отрывающих, так и срезывающих нагрузок. Установлено, что а0тр/тСр покрытия при газопламенном напылении составляет 0,364—0,385, поэтому отношение s/dm должно быть больше 0,1, т. е. при применении штифта диамет­ром 2 мм толщина покрытия s должна быть не менее 0,2 мм. При этом сопряжение штифта и шайбы 3 необходимо выпол­нять по скользящей посадке.

Наиболее часто испытания на отрыв и на сдвиг проводятся по клеевым методикам (рис. 35.4,6, в) или при использова­нии специально изготовляемого цилиндрического образца (рис.

35.4, г).

Из неразрушающих методов контроля наиболее применимым является ультразвуковой, иногда совмещенный с оптической го­лографией.

Для определения плотности покрытия применяют методику гидростатического взвешивания (ГОСТ 18898—73); стойкость к износу косвенно оценивают по результатам определения мик­ротвердости (ГОСТ 9450—76), макротвердости по Виккерсу (ГОСТ 2999—75), Бринеллю (ГОСТ 9012—59) или Роквеллу (ГОСТ 9013—59). При определении жаростойкости руковод­ствуются ГОСТ 6130—71 или ГОСТ 21910—76, стойкости при атмосферной коррозии ГОСТ 17332—71 или ГОСТ 13819—68.