Література. 1.М.И.Пашечко, В.М.Голубец, М.В.Чернец

1. М.И.Пашечко, В.М.Голубец, М.В.Чернец. Формирование и фрикционная стойкость эвтектических покрытий. – К.: Наукова думка, 1993. – 344 c.

2. Технология конструкционных материалов: Учебник для машиностроительных специальностей вузов. Под общ. ред. А.М.Дальского – 2-е изд. перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1985.

3. М.А.Тылкин. Справочник термиста ремонтной службы. – М.: Металлургия, 1981.

2.2. Плазмове напилення

Напилення є процесом нанесення покриття на поверхню деталі за допомогою високотемпературної плазми, в якій містяться іонізовані часточки порошку або краплі розплавленого матеріалу, що осаджуються на деталь при ударному зіткненні з її поверхнею.

Спочатку напилення здійснювалось за допомогою стиснутого повітря або нагрітого газу, які забезпечували розпилення металу і осадження на поверхню виробу. Цей спосіб пізніше розвинувся в технологію розпилення рідких розплавів, який широко використовується в сучасній порошковій металургії. Перша установка для напилення, яка створена в 1910 році Шоном (Швейцарія), була призначена для нанесення покриття на підготовлену відповідним чином поверхню виробу струменем гарячого стиснутого повітря.

Історія напилення нараховує уже десятки років, протягом яких удосконалювались способи зміцнення деталей машин, розроблялись нові джерела нагріву з високими енергетичними характеристиками, створювалась апаратура для неперервної подачі дроту або порошку; розроблялося і виготовлялося комплексне обладнання різних типів і модифікацій, якого в даний час є досить багато.

Існує два методи напилення, які відрізняються джерелами теплової енергії: газополуменеве напилення, при якому використовується теплота, що виділяється при згорянні газу з киснем, та електричне напилення, при якому використовується теплота, що виділяється при горінні електричної дуги.

Газополуменеве напилення за тривалий час застосування постійно вдосконалювалось як по лінії модернізації обладнання, так і в напрямку покращення якості напилюваних матеріалів. У даний час газополуменеве напилення використовується для нанесення покриттів із керамічних тугоплавких матеріалів. Газополуменевий метод знаходить широке застосування в техніці для напилення та наступного оплавлення покриттів із самофлюсуючих сплавів на основі нікелю та кобальту.

Одним із спеціальних видів газополуменевого напилення є таке, при якому використовується енергія вибуху (детонації) ацитилено-кисневої суміші. Детонаційний метод дозволяє наносити покриття із тугоплавких матеріалів.

Найбільш популярною та найстарішою різновидністю електрич­ного напилення є дугова металізація. Раніше при такій металізації використовувалась дуга, яка запалювалась змінним струмом. Це не забезпечувало рівномірного розпилення дроту. В даний час для одержання дуги в електрометалізаторах використовується постійний струм, що забезпечує кращу стабільність процесу нанесення покриттів. Розроблений останнім часом спосіб електроімпульсного нанесення покриттів дав добрі результати при їх одержанні на внутрішніх циліндричних поверхнях деталей машин. Сьогодні цей метод зазнає подальшого удосконалення.

Вихідними матеріалами для напилення можуть бути металевий дріт, керамічні прутки, порошкові метали і сплави, порошкові кера­міч­ні матеріали. Сучасний рівень технології напилення дозволяє здійснити відновлення та зміцнення деталей машин і механізмів порошковими композиційними матеріалами або порошковими дротами та отримати спеціальні покриття, які володіють специфічними властивостями.

2.2.1. Діаграма стану Fe-Nі

Нікель та g-Fe утворюють між собою неперервний ряд твердих розчинів(рис.2.13). Нікель, розчиняючись у залізі, підвищує температуру g-(Fe,Ni)-d перетворення від 1390 до 1512 °С. При цій температурі протікає перитектична реакція d-(Fe,Ni)+L®g-(Fe,Ni). Максимальна розчинність нікелю в d-Fe складає 3.24 % (ат.). Концентрація перитектичної точки – 4.3 % (ат.) Ni. Концентрація нікелю в рідкій фазі дорівнює 5.9 % (ат.). Сплави даної системи кристалізуються у вузькому інтервалі температур, що не перевищує 10-15 °С. Лінії ліквідус і солідус для сплавів з вмістом 5.9-100 % (ат.) Ni мають вигляд легко провисаючого ланцюга з мінімумом при 1436°С при вмісті 68 % (ат.) Ni. В точці мінімуму криві зливаються.

Рис.2.13. Діаграма стану системи Fe – Ni

Рівноважна концентрація нікелю в a-твердому розчині на основі заліза при пониженні температури зростає та при 300°С досягає ~7,5% (ат.). З пониженням температури значно розширюється двофазна область a+g, і при 300°С границя (a+g)/g розміщується при 56% (ат.) Ni. Дифузійні процеси в сплавах системи нижче за 500°С надто повільні, тому встановлення граничних концентрацій a/(a+g) і (a+g)/g ускладнене труднощами, які виникають при проведенні експериментів.

За результатами досліджень триваловідпалених сплавів нижче за 500°С встановлено утворення інтерметалічної сполуки FeNi₃ при вмісті ~74% (ат.) Ni, що обумовлено упорядкуванням g-твердого розчину, причому температура впорядкування, за даними різних дослідників, знаходиться в інтервалі 493¸503±2°С. Впорядкування g-твердого розчину при співвідношенні компонентів 1:1 не було експериментально підтверджено.

При 345°С протікає евтектоїдна реакція: g-(Fe,Ni)®a-(Fe,Ni)+FeNi₃; евтектоїдна точка розміщена при 52% (ат.) Ni; твердий розчин на основі сполуки FeNi₃ є гомогенним в широкій області ~20 % (ат.) при 300°С.

Діаграма метастабільного стану сплавів системи для області, збагаченої залізом, побудована за результатами вимірювання електроопору при швидкості нагрівання та охолодження 5 °С/с (рис.2.14).

Штрихові лінії відповідають рівноважним границям областей a/(a+g) і g/(a+g). Криві М_н і А_н відповідають початку утворення мартенситу при охолодженні та аустеніту при нагріванні. Сплави з 6–25% (ат.) Ni після швидкого охолодження мають мартенситну структуру. В сплавах, які містять більше 30% (ат.) Ni, мартенсит при швидкому охолодженні, як правило, не утворюється, а фіксується g-твердий розчин, який при нагріванні розпадається на суміш (a+g)-фаз.

Рис.2.14. Діаграма метастабільного стану системи Fe – Ni

Кристалічна структура сплавів системи характеризується трьома основними типами структур: ОЦК – a-твердий розчин на основі a-Fe, тип А2; ГЦК – g-твердий розчин на основі g-Fe, тип А1 і впорядкована фаза FeNi₃ з кубічною структурою типу Cu₃Au (L1₂).

2.2.2. Підбір матеріалу для плазмового напилення

Процес напилення доведено до достатньо високого технологічного рівня внаслідок удосконалення технології і модернізації обладнання. Практично всі матеріали, які існують у твердому стані і в процесі напилення не випаровуються та не змінюють значно своїх властивостей, можна використовувати для напилення. В момент зіткнення розплавлених часточок з поверхнею основного матеріалу відбувається їх зчеплення з підкладкою і швидке охолодження, яке супроводжується нерівномірною усадкою осадженого матеріалу покриття та виникненням в ньому напружень. Це утруднює утворення щільного шару без його розтікання і руйнування.

Напилювані матеріали застосовуються у вигляді дроту, прутків і порошку. Дріт і прутки використовуються при газовому, дуговому і електро-імпульсному напиленні, а порошки – при плазмовому напиленні.

2.2.2.1. Порошкові матеріали

Плазмове, детонаційне та газополуменеве напилення деякими матеріалами може здійснюватись тільки шляхом використання по­рошкових матеріалів.

Форма, гранулометричний склад, сипучість порошкових напилюваних матеріалів має безпосередній вплив на технологічні параметри процесу напилення і властивості одержуваних покриттів. Розмір часточок порошку слід вибирати в залежності від характеристик джерела теплової енергії та теплофізичних властивостей напилюваного матеріалу – температури плавлення, питомої теплоємності, густини та інших.

Застосування дрібнозернистого порошку переважно сприяє підвищенню щільності напилюваного покриття. Недоліком такого покриття є те, що в ньому міститься велика кількість оксидів, які утворилися в результаті перегріву частинок при русі у високотемпературному потоці газу.

При напиленні порошку, що складається із суміші часточок різ­ного розміру, однорідність покриття порушується через велику різницю степенів розплавлення та швидкості їх руху в напилюючому потоці. При напиленні потужними плазмовими джерелами теплової енергії використовуються дрібні порошки розміром часточок в декілька мікрометрів.

Метали та сплави, що застосовуються для напилення:

1) алюміній використовується для захисту чорних металів від корозії; при нагріві за рахунок дифузії алюмінію в основному металі утворюється зміцнений шар, який є стійким до окислення при високій температурі. Плазмове напилення порошку алюмінію використовується для утворення електропровідного покриття;

2) цинк забезпечує захист чорних металів від корозії;

3) сплави цинку з алюмінієм напиляються для одержання антикорозійних покриттів. При високому вмісті алюмінію (»50%) ці сплави є недостатньо пластичними. Із них важко виготовити дріт волочінням. Для напилення такі сплави використовуються у вигляді порошку;

4) мідь та її сплави переважно застосовуються для наплавлення. Напиленням наносять тільки електропровідні покриття;

5) молібден використовується як підшар перед наступним нанесенням на нього необхідного матеріалу. Він також придатний для підвищення зносостійкості та корозійної стійкості в соляній кислоті. Напилення порошку молібдену здійснюється плазмовим методом;

6) вольфрам – найбільш тугоплавкий із всіх металів. При плазмовому напиленні одержуються вольфрамові покриття, які є значно кращими від відповідних покриттів, нанесених електролітичним або вакуумним (сублімаційним) методами;

7) корозійностійка сталь і ніхром використовуються як напилюючі матеріали не тільки у вигляді дроту, але й у вигляді порошку, який має деякі специфічні властивості (антикорозійні, зносостійкість, а ніхром також жаростійкість);

8) сплав олова із свинцем (бабіт) і антифрикційну свинцеву брон­зу можна застосовувати у вигляді порошку і дроту. Обидва сплави використовуються в підшипниках ковзання.

Композиційні матеріали. Для напилення інколи використовуються плаковані порошки, часточки яких складаються із ядра – основи розміром від декількох мікрометрів до декількох десятків мікрометрів, оточеного плакованим шаром іншого компоненту (товщина шару 2-3 мкм). Плаковані порошки можуть бути отримані з різноманітних матеріалів, застосування яких для напилення забезпечує нанесення композиційних покриттів. Такі матеріали за зовнішнім виглядом є однорідними і є механічною сумішшю різних компонентів. У випадку напилення окремих компонентів порошку покриття може руйнуватись через відсутність потрібного зчеплення між складовими суміші. При використанні плакованого порошку небезпека такого руйнування повністю відсутня. Напилення плакованим порошком має і інші переваги, пов’язані, зокрема, з підвищенням коефіцієнта використання матеріалу і відсутністю окислення основного компонента при напиленні, оскільки він захищений плакованим шаром другого компонента. В процесі напилення плакованим порошком під дією високотемпературного газового струменя відбуваються екзотермічні реакції між компонентами порошку з утворенням інтерметалічної сполуки. Теплота екзотермічних реакцій сприяє підвищенню міцності зчеплення покриття з основним металом. Сполуки металів, схильні до екзотермічної взаємодії, утворюються у системі нікель – алюміній. Покриття із алюмініду нікелю може успішно працювати при високих температурах (до 650°С), забезпечуючи високу термо- і зносостійкість.

Композиційне покриття у вигляді поєднання двох різнорідних металів має властивості кожного з матеріалів. Зокрема, плакований порошок, який складається з нікелю та графіту, забезпечує одержання покриття з хорошою оброблюваністю різанням при задовільній стійкості до ерозійного зношування. Композиційне покриття, що містить нікель, хром і алюміній, володіє стійкістю до окислення в повітряному середовищі при високій температурі. Цей композиційний матеріал придатний також для напилення підшару під кераміку. Композиційний матеріал, який поєднує молібден з алюмінієм, застосовується для нанесення покриттів на поверхні підшипників ковзання та регенерації деталей із вуглецевої сталі. При цьому він володіє високою зносостійкістю.

Існують плакуючі порошки, які складаються із кобальту та кар­біду вольфраму (при плазмовому напиленні карбіду вольфраму з розміром часточок 50-90 мкм відбувається втрата до 35% вуглецю), нікель – карбід хрому та інші. Вони дозволяють одержувати зносостійкі покриття. Порошки, які містять нікель або оксид нікелю з фтористим кальцієм, алюміній або алюмінієву бронзу з поліефіром, використовуються для нанесення покриттів, що володіють низьким коефіцієнтом тертя.

Самофлюсуючі сплави. Нанесення покриттів із самофлюсуючих сплавів і наступне їх оплавлення дозволяє отримати шари без пор і високої густини. Покриття із самофлюсуючих сплавів можна використовувати і без наступного оплавлення. Самофлюсуючі сплави є сплавами на основі нікелю, хрому і нікелю або кобальту, які містять добавки хрому і кремнію. Покриття із цих сплавів володіють високою зносостійкістю, корозійною стійкістю та стійкістю до окислення в повітряному середовищі при високих температурах. Через низьку пластичність ці сплави поставляються для напилення у вигляді порошків.

2.2.3. Технологія плазмового напилення

На рис.2.15 схематично показано механізм утворення плазми (1 – позитивний іон; 2 – електрон). При температурі близько абсолютного нуля диполі складаються із двох атомів молекули газу (водню, азоту і т.п.). Мають вигляд гантелі (а), здійснюють тільки паралельне переміщення по осях x, y і z. При температурі 10 К виникає ще і обертовий рух. При подальшому підвищенні температури, наприклад, до 1000 К, виникають коливання атомів (б). Інтенсивні зіткнення молекул викликають їх дисоціацію (розпад на атоми) (в). Температура переходу в атомарний стан залежить, в основному, від типу газу та його парціального тиску. Для кисню вона складає 3000 К, для азоту ~ 4500 К.

Рис.2.15. Схема механізму утворення плазми

Необхідну для розпаду молекул енергію дисоціації виражають, переважно, в електрон-вольтах (эВ) з розрахунку на одну молекулу (1эВ=1,602*10^-19Дж).

При підвищенні температури посилюється процес іонізації газів, який супроводжується втратою атомами електронів, як показано на рис.2.15 г. Достатньо повна іонізація кисню при атмосферному тиску наступає при 10000К.

Плазмою називається газ, в якому значна частина атомів чи молекул іонізована, а концентрація електронів і негативних іонів дорівнює концентрації позитивних іонів. Плазма, яка в цілому є квазінейтральною, не має електричного заряду. Відмінна риса плазми – це висока електропровідність. Звичайна електрична дуга також знаходиться у стані плазми.

На рис.2.16 показана залежність зміни ентальпії від температури для аргону, водню і азоту. При іонізації та дисоціації азоту і водню, а також при іонізації аргону проходить поглинання енергії. При охо­лодженні дисоційованого та іонізованого високотемпературного газу проходить зворотній процес: об’єднання електронів з іонами та атомів в молекули. При цьому відбувається виділення енергії рекомбінації, яка дорівнює енергії дисоціації молекул та енергії іонізації атомів. При одній і тій же температурі двохатомні гази володіють більш високою ентальпією, ніж одноатомні.

Рис.2.16. Залежність ентальпії від температури для аргону,

водню і азоту: 1 - зона дисоціації; 2 - зона іонізації

Рис.2.17. Схема плазмового напилення: 1 - плазмоутворюючий газ;

2 - місце подачі напилюваного матеріалу; 3 - джерело живлення;

4 - катод; 5 - анод

Схема напилення показана на рис.2.17. Між катодом (із чистого вольфраму або з добавкою 2% торію) і мідним соплом для водоохолодження, що слугує анодом, виникає дуга, яка нагріває у соплі (джерело теплової енергії) робочий газ, що іонізується та витікає із сопла у вигляді плазмового струменя. Робочим газом є аргон або азот, до яких іноді додають водень. Порошковий наплавлюваний матеріал подається в сопло струменем транспортуючого газу, нагрівається плазмою і з прискоренням переноситься на поверхню основного матеріалу для утворення покриття.

ККД плазмового напилювача дорівнює в середньому 60 %. Звідси виходить, що 50 – 70 % загального споживання електричної енергії витрачається на нагрівання робочого газу до середньої температури на виході із сопла. При даній потужності аргон має значно більшу температуру, ніж водень і азот. Висока швидкість витоку плазмового струменя пов’язана з різким розширенням газу (рис.2.17), тобто аргон забезпечує більш високу швидкість плазмового струменя, ніж азот або водень.

На відстані 50 мм від зрізу сопла кількість повітря в струмені становить: 55 – 60 %, а на відстані 100 мм – 90 %.

Плазмове напилення має ряд важливих переваг:

1) висока температура плазми дозволяє проводити напилення тугоплавкими матеріалами;

2) можливість регулювання температури та швидкості плазмового струменя шляхом вибору форми та діаметра сопла і режиму напилення розширює діапазон напилюваних матеріалів (метали, кераміка і органічні матеріали);

3) використання інертного газу, як робочого, відкриває можливість напилення в камерах з атмосферою інертного газу.

Покриття, одержані методом плазмового напилення, володіють високою густиною і добрим зчепленням з основою. Порівняно низька продуктивність процесу напилення, шум при роботі та інтенсивне ультрафіолетове випромінювання –це недоліки плазмового напилення. Крім цього плазмовий метод відрізняється високою вартістю об­ладнання і значними експлуатаційними затратами.

2.2.3.1. Швидкість і температура часточок напилюваного матеріалу

При газополуменевому, детонаційному і плазмовому напиленнях використовуються порошкові матеріали. При газополуменевому напиленні дротом або прутком, дуговому та електроімпульсному напиленні напилювані матеріали мають форму дроту або прутка. По­рошкові матеріали при русі у високотемпературному потоці газу, що витікає з великою швидкістю із пальника, напилюються на поверхню основного матеріалу. Дріт або пруток спочатку нагрівається і роз­плавляється, а потім у вигляді дрібно-розпилених часточок напилюються високошвидкісним потоком газу на основний метал. При зіткненні напилюваних часточок з поверхнею основи вони зчіпляються з нерівностями поверхні. Це можливо тільки при певних швидкостях і температурі крапель і часточок.

Швидкість часточок. При газополуменевому напиленні латуні, цинку і молібдену швидкість часточок на відстані 100 мм від зрізу соп­ла пальника складає відповідно 120, 140 і 65 м/с.

При газополуменевому напиленні часточки матеріалу мають різні розміри. Чим часточки є дрібнішими, тим вони легше розганяються газовим потоком, а при зменшенні швидкості потоку часточки різко змен­шують свою швидкість.

При детонаційному напиленні швидкість газового потоку на виході із сопла установки досягає 4000 м/с, а швидкість часточок напилюваного матеріалу – 820 м/с.

При плазмовому напиленні (потужність 15-20 кВт) порошком із оксиду алюмінію, молібдену і самофлюсуючого сплаву на основі нікелю швидкість часточок на відстані 100 мм від сопла складає відповідно 155, 100 і 70 м/с. Останнім часом у зв’язку з використанням більш потужного обладнання для плазмового напилення значно підвищилася швидкість плазмового потоку і, відповідно, досягнуто радикальне підвищення швидкості часточок при напиленні.

2.2.4. Структура поверхневого шару

При вивченні будови перехідної зони між основним матеріалом і покриттям залишається чимало неясностей. Покриття та основний матеріал, практично, завжди є різнорідними за складом та властивостями. В процесі шліфування при підготовці зразків для металографічних досліджень утворюються виступи на границі розділу, що обумовлено різницею твердості основного матеріалу і покриття. Тому неможливе одночасне протравлення ділянок по обидві сторони від вказаного виступу. При окремому їх травленні на границі розділу виникає заглиблення, обумовлене високою швидкістю травлення гра­ничного шару. Все це створює перешкоди, що виключають отримання достовірних даних про структуру границі розділу основного матеріалу та покриття. Крім цього, при зіткненні часточок з поверхнею основного матеріалу, між ними в зоні контакту виникає миттєва взаємодія, продукти якої утворюють надтонкі прошарки, котрі погано ідентифікуються, що створює додаткові перешкоди при вивченні структури контактної зони.

Утворення композиту "покриття - основа" відбувається пере­важно за рахунок механічного зчеплення напилюваних часточок з виступами та впадинами на поверхні основи, утворених попередньою обробкою. Цей механізм адгезії називають анкерним ефектом.

Окрім механічного з’єднання міцність зчеплення покриття з основним матеріалом забезпечується завдяки ряду інших механізмів, включаючи дифузію компонентів покриття в основний матеріал, сплавленням та хімічною взаємодією. Оскільки часточки напилюваного матеріалу мають переважно оксидні плівки, їх зчеплення з поверхнею основного матеріалу на деяких мікроділянках відбувається саме через них.

Підвищення міцності зчеплення покриття досягається також за рахунок фізичних зв’язків під дією вандерваальсових сил. Ці сили, як сили міжатомного притягання, можуть виникати тільки при наближенні часточок покриття до поверхні металу на відстань, близьку до параметра кристалічної гратки. Адгезія покриття за рахунок вандерваальсових сил виникає на активованих ділянках поверхні основного матеріалу.

Молібденове покриття відрізняється особливо доброю адгезією до чорних металів. При русі часточок молібдену від сопла пальника до поверхні основи відбувається їх окислення, яке супроводжується інтенсивним випаровуванням оксидів. У результаті розплавлення часточки молібдену в момент зіткнення з поверхнею основи мають дуже тонку плівку оксидів, яка при зіткненні легко розривається, і чистий молібден, що має високу температуру, вступає в контакт з поверхнею основи. Відбувається сплавлення часточок молібдену з металом основи на деяких ділянках і утворення металевих зв’язків.

На рис.2.18 показано покриття з рентгеноаморфною структурою, яке одержане плазмовим напиленням евтектичного порошкового сплаву системи Fe – Mn – C – B – Si – Ni – Cr [3]. Дослідження проведено за допомогою мікрорентгеноспектрального аналізатора фірми JEOL, Superprobe 733. Виявлено розподіл елементів в напиленому шарі та в основному металі.

2.2.4.1. Формування плазмового покриття

При плазмовому напиленні покриття утворюється з окремих розплавлених або близьких до цього стану часточок. Послідовно осідаючи одна на одну, часточки утворюють лускоподібне шарувате покриття з сильною анізотропією фізичних і механічних властивостей, неоднорідне за хімічним і структурним складами, яке характеризується розвиненою поверхнею стиків між часточками і підвищеним вмістом оксидних включень (рис.2.18). Взаємна незалежність поведінки часточок на підкладці суттєво полегшує вивчення механізму утворення покриття, практично зводячи проблеми до теплофізичних і фізико-хімічних явищ при зіткненні, до аналізу поведінки часточок при де­формуванні і отвердінні. На відміну від компактного матеріалу, покриття має міжзеренні та міжфазні, міжшарові границі та границі, які розділяють покриття і підкладку. Внаслідок загартування часточок напилене покриття є твердішим за вихідний матеріал і сильно насичене газами, розчиненими в розплавлених часточках при їх русі в потоці плазми. При плазмовому напиленні в захисному середовищі або у вакуумі покриття одержують більш щільними. Відпал покриття у вакуумі не призводить до суттєвих структурних змін.

Рис.2.18. Мікроструктура покриття системи

Fe – Mn – C – B – Si – Ni – Cr на сталі 45, ´1000

Металографічні дослідження показують, що при формуванні покриття структура плазмонапиленого шару залежить, в першу чергу, від струму дуги I, дисперсності напилюваного порошку d_ч, дистанції напилення і властивостей середо-вища, в якому здійснюється процес (окислювальний, відновлювальний або нейтральний і т. д.). При використанні дуже дрібних порошків (d_ч=0-5 мкм) одержується майже монолітний шар. Крім цього, між підкладкою і напилюваним покриттям може мати місце щільний контакт практично без перехідного шару або виникає чітка перехідна зона внаслідок поганого змочування матеріалів і підвищеного вмісту оксидів. При використанні часточок порошку великих розмірів в покритті з’являються великі неоплавлені часточки, значно зростає пористість покриття в цілому.

Дослідження перехідної зони має велике значення для пояснення механізму формування покриття з високою адгезією. Однак, в цьому випадку експериментатор зустрічається із значними перешкодами при виготовленні шліфів для металографічного і мікрорентгеноструктурного аналізів.

Розподіл напилюваного матеріалу на площадці напилення є важ­ливою характеристикою, як для розуміння фізичних процесів, що відбуваються при формуванні покриттів, так і для практичних цілей – одержання покриттів з рівномірною товщиною.

При плазмовому напиленні розсіювання часточок по діаметру кола підпорядковується закону нормального розсіювання Гауса. Таким чином, зміну товщини покриття в залежності від радіуса кола r можна подати наступним чином:

dy=y₀ * еxp(-r²/2S²),

де

у₀ – швидкість наростання покриття в центрі кола;

S – стандартне відхилення, замість якого можна використовувати радіус розсіювання .

Навіть при максимальній швидкості напилення кожна часточка деформується і кристалізується індивідуально. Ймовірність їх взаємного термічного впливу мізерна і може не прийматися до уваги. Так, простий підрахунок витрат матеріалу при напиленні G_н, коли напилювані часточки могли би осаджуватися на ще не остиглі часточки попереднього шару, за найсприятливіших умов дає:

G_н=pD_нІhg/(4t),

де

h – висота часточки, яка закристалізувалась за час t;

D_н – діаметр плями напилення;

g – густина напилюваного матеріалу.

Реальний розхід матеріалу при напиленні дорівнює 5-10 кг/год. Таким чином, розрахований розхід матеріалу перевищує реальний на 2-3 порядки.

2.2.5. Властивості та практичне застосування

Покриття, що напилюються з метою захисту поверхонь деталей машин від зношування або корозії, повинні мати необхідну міцність зчеплення з підкладкою, зносостійкість, жаростійкість і теплоізоляцію, корозійну стійкість та інші властивості в залежності від умов експлуатації.

Для напилення використовують найрізноманітніші матеріали: метали і сплави, кераміку і пластмаси. При напиленні одним і тим самим матеріалом рівень властивостей покриття в значній мірі залежить від режиму і техніки напилення. Напилене покриття являє собою тонкий шар, що має значне зчеплення з основним металом і дуже пористе, потребує спеціальних способів оцінки властивостей, які на даний час не досягли статусу загально прийнятих методів вимірювання або випробувань. У зв’язку з цим в опублікованих по даній проблемі роботах описані різні способи визначення властивостей, результати яких не завжди піддаються прямому співставленню.

2.2.5.1. Зносостійкість і фрикційні властивості напилених покриттів

Застосування для зміцнення деталей машин зносостійких покриттів дозволяє виготовити деталі машин і механізмів відповідального призначення із звичайних конструкційних сталей. Специфічна особливість напилених покриттів обумовлена наявністю порожнин в проміжках між часточками. Окремі часточки в покритті з малою мікротвердістю одночасно можуть існувати з часточками, що мають високу мікротвердість. При напиленні деталей, які працюють в умовах періодичного змащування, порожнини покриття, що вбирають в себе мастильний матеріал, виконують ту саму роль, що і пори в самозмащувальних підшипниках із спечених металевих порошків. Напилені покриття мають переважно складну структуру, в якій шари часточок напилюваного матеріалу чергуються з оксидними прошарками. Такий характер структури забезпечує високу зносостійкість напилених покриттів.

Зносостійкість напилених покриттів. При напиленні зносостійких покриттів найчастіше застосовується вуглецева і корозійно­стійка аустенітна сталь, молібден, самофлюсуючі сплави та їх суміші з порошками карбідів і оксидів високої твердості, керамічні матеріали, включаючи оксид алюмінію і оксид хрому.

У залежності від властивостей основи та умов роботи, на працюючі ділянки можна напиляти також бабіт, кермет, леговану фосфором бронзу.

Випробування напиленого плазмовим методом молібденового покриття на зносостійкість (машина тертя SL-4 типу Огоє для пришвидшеного випробування при швидкостях 0,1 – 0,8 м/с) показали, що в діапазоні низьких швидкостей ковзання по зносостійкості перевищує інструментальну сталь SKS-2 (твердість 63 HRC).

Термічна обробка молібденового покриття (відпал в аргоні при температурі 800°С протягом 1 години) значно понижує зносостійкість при підвищенні густини та значному зменшенні пористості напилюваного матеріалу.

Молібден має велику хімічну спорідненість із сіркою, яка виділяється з мастила, реагує з ним, утворюючи дисульфід молібдену МоS₂. Дисульфід молібдену, який є мастильним матеріалом, значно підвищує зносостійкість покриття. Вказана властивість молібденового покриття та можливість проникнення МоS₂ через пори пояснюють можливість його використання в умовах тертя під дією високих на­вантажень.

Високі результати випробовувань в умовах сухого тертя одержані для напиленних плазмовим методом покриттів з оксиду алюмінію з диоксидом титану (2.5%). Випробування проводилися в умовах, аналогічних випробуванням покриття з молібдену. “М’які” покриття відрізняються великою пористістю і шорсткістю. Утворюються вони при напиленні в режимі недостатнього виділення теплоти для нагріву часточок матеріалу на великій відстані від зрізу сопла пальника до поверхні основного металу. В деяких випадках надають перевагу "м’яким" покриттям із цих матеріалів, які поступаються інструмен­тальним сталям за зносостійкістю, але одержані з них «тверді» покриття значно їх переважають. Під час випробовувань "м’яких" покриттів зношування твердих часточок напиленого матеріалу відсутнє, а саме зношування має характер викришування цих часточок при терті у парі із диском, що обертається.

2.2.5.2. Застосування плазмового напилення

Способи газополуменевого і електродугового напилення мають вже свою історію, але область їх застосування не охоплює всіх матеріалів, придатних для цього процесу. Зокрема, газополуменевим методом можна напилювати матеріали, температура плавлення яких нижча за температуру газокисневого полум’я. Дугове напилення забезпечує нагрів до найвищих температур, однак його застосування обмежене електропровідністю матеріалів. Крім цього, дуговий метод непридатний для напилення порошковими матеріалами. Останнім часом роз­роблені нові методи напилення (детонаційний, плазмовий та електроімпульсний), застосування яких дозволяє проводити методи практично будь-якою твердою речовиною.

Напилення використовується як спосіб поверхневої обробки конструкційних матеріалів, деталей машин, інструменту та інших виробів з метою підвищення їх зносостійкості, жаростійкості, теплоізоляційних та електроізоляційних властивостей, корозійної стійкості і т.п.

Напилення застосовується в основному у двох напрямках:

1) напилення корозійностійких покриттів на різні ємності в хімічній промисловості, деталі суднових механізмів, елементи суднових конструкцій і т. п.;

2) регенерація зношених інструментів і деталей машин.

Останнім часом у зв’язку з бурхливим розвитком техніки значно зросло виробництво і швидкодія машин і механізмів. Це вимагає відповідного підвищення експлуатаційних показників деталей і кон­структивних елементів. Підвищення експлуатаційних показників матеріалів може бути досягнуте шляхом покращення стану поверхні та підвищення її властивостей.

Застосування технології напилення потребує знань цих особливостей в їх загальному викладенні. При цьому є недостатнім застосування напилюваного покриття, властивості і стан якого визначаються багатьма факторами. Необхідний індивідуальний підхід у кожному окремо вз’ятому випадку. При належному виборі виду покриття та способу його нанесення нерідко одержуються непередбачувано високі результати.

Нижче перераховані найбільш розповсюджені області застосування технології напилення для захисту поверхонь деталей і вузлів машин від абразивного, ерозійного, корозійного та інших видів дії робочого середовища.

1. Зміцнення деталей машин загального машинобудування:

Автомобільна промисловість: розподільчі та колінчасті вали, вали водяних насосів, розтискні кулаки гальм, головки поршнів, ци­ліндри, поршневі кільця, диски зчеплення, вихлопні клапани і т. п.

Авіаційна промисловість: сопла та елементи ракетних двигунів, лопатки турбін, різні перехідні наконечники, листи для облицювання фюзеляжу і т. п.

Електротехнічна промисловість: конденсатори, відбивальні поверхні антен систем зв’язку і т. п.

Цементна промисловість: лопасті вентиляторів, деталі конвеєрів, клапани та сідла клапанів, підшипники і т. п.

Хімічна промисловість: клапани та сідла клапанів, вали і крильчатки (робочі колеса) насосів, корпуси насосів хімічних циркуляційних систем, плунжери, циліндри і кільця кислотних насосів і т. п.

Вугільна і металургійна промисловості: деталі ковшів і черпаків, грохоти класифікаторів, деталі повітродувок, матриці, пуансони та інші елементи штампів, прес-форм і т. п.

Енергетична промисловість: шнеки живників для подачі вугілля, деталі вентиляторів для відводу вихідних газів, парові клапани і деталі конвеєрів і т.п.

Вироби загального призначення: калібри (пробки, скоби), різьбові калібри, оправки, деталі шліфувальних верстатів, центри токарних верстатів, шпинделі та вали і т. п.

Інші вироби: підшипники різних конструкцій, ролики і валки, зуби зубчастих коліс і т. п.

2. Застосування напилення в областях, де необхідна висока корозійна стійкість покриттів і стійкість до окислення при підвищеній температурі.

Цинкові покриття, в основному, застосовуються для підвищення стійкості стальних виробів у прісній і морській воді, в повітряній атмосфері, при експлуатації в материкових і прибережних районах. Покриття наносяться на елементи стальних конструкцій мостів, башт, шлюзів і суден, а також на резервуари, сантехнічні вузли і деталі суднових душових, споруд для водоочищення, насосів, стальних шасі, поручнів і т. п.

Алюмінієві покриття застосовуються для захисту від корозії стальних виробів, які експлуатуються в промисловості в прибережних районах, в місцях контактування з морською водою, а також для за­хисту сталей від окислення при роботі в умовах нормальної та підвищеної температур.

Покриття наносяться на резервуари для зберігання води, еле­менти стальних конструкцій, які працюють в атмосфері з високою концентрацією сірчистих сполук, ємності для зберігання харчових продуктів, камери згоряння, димоходи, корпуси суден і т. п.

Дата добавления: 2015-07-18