Література. 1. Хасуи А., Моригаки О

1. Хасуи А., Моригаки О. Наплавка и напыление / Пер. с яп. В.Н.Попова. Под ред. В.С.Степина, Н.Г.Шестёркина. – М.: Машиностроение, 1985. – 240 с., ил.

2. Лясников В.Н. Плазменное напыление покрытий в произ­водстве изделий электронной техники. / Под ред. В.С.Кошелёва. – Саратов. Изд-во ун-та, 1985. – 200 с.

3. Пашечко М.И., Голубец В.М., Чернец М.В. Формирование и фрикционная стойкость евтектических покрытий. – К.: Наук. думка, 1993. – 344 с.

2.3. Детонаційне напилення

Напилення – це процес нанесення зміцнюючого шару на робочу поверхню деталі.

Процес нанесення зміцнюючого шару на робочу поверхню деталі складається з наступних операцій: підготовка порошкових напилюваних матеріалів, підготовка деталі до зміцнення, відпрацювання режимів, нанесення зміцнюючого шару, охолодження деталі, механічна обробка, контроль якості одержаного шару.

2.3.1. Діаграма стану Fe - Mn – B

Діаграма фазових рівноваг системи Fe – Mn – B, побудована при 1070 К (рис.2.19).

Рис.2.19. Діаграма фазових рівноваг системи Fe – Mn – B при 1070 К

При температурі нижче за 1190 К у твердому стані утворюється t-фаза (Fe, Mn)₂₃B₆. В системі існує неперервний ряд твердих розчинів (Fe, Mn)B і (Fe, Mn)₂B із структурами, відповідно, типу FeB i Al₂Cu. Область гомогенності t-фази зменшується при підвищенні температури і становить при 1129 К-Fe_{13, 8-5, 1}Mn_{9, 2-17, 9}B₆, а при 1173 К - Fe_11-8Mn_12-15B₆.

2.3.2. Технологія детонаційного напилення

2.3.2.1. Підготовка порошкових матеріалів

Перед напиленням, особливо в осінньо-зимовий період та у випадку тривалого зберігання порошкових сплавів в сирих неопалюваних приміщеннях, порошки рекомендується просушити при 150-200 °С протягом 30 хв.. Товщина шару порошку повинна бути не більшою за 50 мм. Цим досягається видалення поглинутої з повітря вологи, що призводить до підвищення текучості порошків — одного з основних технологічних показників, а також до покращення якості напиленного шару.

Застосовувані для просушування ємності не повинні забруднювати порошки. Доцільно цю операцію проводити в протвинях з не­ржавіючої сталі.

Після просушування порошок необхідно просіяти на ситі з сіткою 100 — 125 мкм (сітка № 01-0125 за ГОСТом 6613-73).

2.3.2.2. Підготовка деталі для зміцнення

Якість зміцненого шару, особливо міцність зчеплення з основою, залежить від підготовки поверхні деталі під напилення, яка складається з двох етапів:

1) знежирювання деталі;

2) підготовка робочої поверхні під напилення - зачистка від слідів корозії, окалини та інших забруднень. Необхідно забезпечити захист поверхні, яка не підлягає напиленню.

Деталь, яка підлягає зміцненню, попередньо повинна бути знежирена. Забруднення видаляються як з поверхні деталі, так і з усіх отворів, тріщин та інших порожнин. Невидалене мастило при нагріванні деталі буде витікати з отворів або пазів і розтікатися по ній, попадаючи на поверхню, яка зміцнюється, що призведе до отримання неякісного шару.

Знежирювання можна робити різноманітними способами: в кип’ячому водному розчині миючих речовин; в розчинниках (бензин, ацетон та ін.); при високих температурах, які забезпечують розплавлення і згорання мастила (в печі, газовими пальниками і т.п.). Будь-який з цих способів при ретельному його проведенні забезпечує повне усунення мастила з поверхні та прихованих порожнин деталі.

Для забезпечення високої адгезії покриття з деталлю необхідно із зміцнюваної поверхні після знежирення видалити сліди корозії, мож­ливу окалину та інші забруднення. Це можна здійснити обробкою на токарному верстаті, фрезеруванням, шліфуванням і т.п. Оброблювана поверхня повинна бути без слідів будь-яких забруднень і мати металевий блиск. Під час цієї операції застосування ЗОР забороняється.

Заключним етапом підготовки поверхні під напилення може бути механічна, дробеструменева, електроіскрова обробка та хімічне травлення. Механічна обробка поверхні проводиться у випадку, коли це сприяє метал деталі, а її форма дозволяє виконувати операції точіння, фрезерування та при необхідності отримати товсте покриття, яке призначене для роботи в умовах великих навантажень. При механічній обробці необхідно отримати поверхню типу рваної різьби, канавок і т.п. Її можна отримати шліфуванням, застосовуючи крупнозернисті круги.

Більш простий спосіб підготовки поверхні – це дробеструминна обробка, при якій поверхні надається необхідний ступінь шорсткості та знімається тонка оксидна плівка. Крім цього, дробеструминною обробкою можна зняти і тонкий жировий шар, але в цьому випадку не можна повторно використовувати абразивний матеріал (сталеву чушку, чавунний дріб, корунд). Цей спосіб застосовується в основному для деталей, що зміцнюються газопорошковим напиленням.

Поверхні, які не підлягають напиленню, повинні бути захищені від попадання на них матеріалу, що напилюється. Тому частини деталей, які необхідно захистити, покривають ізоляційними матеріалами або застосовують металеві екрани. Шпоночні канавки та отвори для мастила закупорюють дерев'яними корками, що виступають на 1-2 мм. над рівнем поверхні покриття.

Для захисту поверхонь застосовуються також спеціальні липку стрічку (наприклад, фірми "Плазма-Технік АГ", Швейцарія) або водорозчинну масу, яка наноситься на поверхню.

Специфічні вимоги висуваються до захисту поверхонь при детонаційно-газовому напиленні. Для одержання рівномірних за товщиною покриттів на невеликих ділянках поверхонь використовуються спеціальні екрани з відігнутими назустріч руху потоку напилюваних часточок внутрішніми краями. Екрани встановлюються на відстані не більше ніж 50 мм. від поверхні, що обробляється. При напиленні окремих ділянок поверхні суміжні ділянки часто захищають за допомогою накладних масок з тонкого металу. Такими масками для зовнішніх циліндричних поверхонь можуть використовуватися тонкостінні втулки.

2.3.2.3. Детонаційно-газовий метод напилення

Детонаційно-газове напилення є циклічним процесом. Для нанесення покриття використовувалась модернізована установка "Дніпро" (рис.2.20).

Рис.2.20. Модернізована установка для детонаційно-газового

напилення покриттів

Модернізована установка в частині системи запалювання плазмоутворюючого газу являє собою закритий з одного кінця канал круглого січення з механізмами для періодичної подачі сумішей газів та порошку напилюваного матеріалу. Вздовж сопла рівномірно розміщені джерела для послідовного запалювання пальної суміші (рис.2.21). Установка додатково оснащена спеціально розробленим шумопоглинаючим пристроєм (зменшує рівень шуму на 30 Дб).

Рис.2.21. Принципова схема системи підпалу установки для детонаційно-газового напилення покриттів:оброблювана деталь; 2 - сопло; 3 - інжекційний пристрій; 4 - бункер з порошком і дозуючим пристроєм; 5 - вибухова камера; 6 - шумопоглинаючий пристрій; 7 - свічка запалювання; 8 - роторний газорозподільний механізм; 9 - електродвигун приводу з контактною групою системи запалювання і дозуючим пристроєм; 10 - система запалювання

Робочий цикл напилення складається з наступних почергових елементарних процесів:

1. Заповнення каналу пальною сумішшю.

2. Дозування та подача порошкового матеріалу, що розпилюється, та пальної суміші в сопло установки.

3. Запалювання та згорання пальної суміші по всій довжині сопла, що відбувається в умовах нестаціонарного розповсюдження полум'я в детонаційній хвилі.

4. Формування потоку часточок, що напиляються, їх прискорення в напрямку розповсюдження детонації та нагріву продуктами згорання за фронтом детонаційної хвилі.

5. Витікання продуктів детонації з сопла і шумопоглинаючого пристрою в повітря, що супроводжується утворенням і розпов­сюдженням ударної хвилі в повітрі та хвилі разрідження в продуктах детонації.

6. Виникнення нестаціонарних явищ в продуктах детонації після повного згорання пальної суміші, зв'язаних з розповсюдженням і затуханням відбитих хвиль. Ці явища при детонації газових сумішей у трубах можуть спостерігатися протягом 0,01 с.

7. Ударної взаємодії імпульсного двофазного потоку продуктів детонації та часточок порошку з поверхнею, яка обробляється, що супроводжується утворенням одиничної плями напилення.

Пальною сумішшю канал заповнюється після попереднього продування флегматизованим газом, що виключає можливість запалювання цієї суміші при контакті з гарячими продуктами детонації. Якщо проміжок часу між одиничними циклами згорання пальної суміші є достатнім для охолодження (сопла, продуктів згорання), то продувка може бути виключена.

При детонації газів у довгих трубах горіння розповсюджується з рівномірною, визначеною для кожної пальної суміші, швидкістю порядку 2-3 км×с^-1. Гідродинамічна теорія детонації дозволяє з задовільною точністю розрахувати всі параметри детонаційної хвилі: швидкість, енергію, температуру, тиск, щільність.

Застосування газових сумішей різноманітного складу дозволяє регулювати параметри детонації в широких межах. Використовуючи один пальний газ, наприклад, ацетилен, за допомогою різноманітних домішок можна одержувати різні параметри детонації, які суттєво відрізняються між собою. Для ацетилено-кисневих сумішей швидкість детонації може сягати 3000 м/с, а температура на фронті детонаційної хвилі -3300 °С. Для пропан-бутан-кисневих сумішей швидкість детонації може сягати 3000 м/с, а температура на фронті детонаційної хвилі - 3000 °С. Нами використовувалася пропан-бутан-киснева суміш з домішками азоту.

За допомогою детонаційно-газового методу напилення можна регулювати ступінь нагрівання та швидкість часточок порошку, що напилюються (600-1000 м/c). При деяких режимах напилення можна досягати і розплавлення часточок порошку. Однак, цей спосіб має обмежені можливості нагріву часточок напилюваного матеріалу порівняно з плазмовим методом.

Таблиця 2.6.

Режими отримання покриття на установці "Дніпро"

Параметри напилення
1. Швидкість детонації	2800 м/c
2. Температура на фронті детонаційної хвилі	2600 °С
3. Частота імпульсів	1 Гц
4. Число імпульсів	100 – 150
5. Дисперсність порошку	до 100 мкм
6. Відстань від зрізу сопла до поверхні деталі	200 мм

Переваги технології:

1. Можливість одержання покриття з підвищеною міцністю зчеплення (10-160 МПа) та щільністю (пористістю 0.5-1.0 %) завдяки високій кінетичній енергії часточок напилюваного матеріалу.

2. Можливість нанесення покриттів на деякі види підкладок (сталь, нікелеві сплави та інші) без струменево-абразивної підготовки поверхні.

3. Можливість використання порошкових матеріалів з дисперсністю до 100 мкм.

4. Відносна простота конструкції установки.

Недоліки:

1. Високий рівень шуму (біля 120 дБ, але він менший у порівнянні з рівнем шуму серійних установок "Дніпро" приблизно на 30 дБ).

2. Певні технологічні обмеження на одержання покриття з матеріалів, що містять елементи, які активно взаємодіють з компонентами середовища (високотемпературний потік продуктів детонації складного складу, що містить СО₂, СО, Н₂О, Н₂, О₂, N₂, H, O, N).

3. Технологічні обмеження на обробку нежорстких деталей, викликані високим імпульсним тиском при взаємодії потоку продуктів детонації із металом, що обробляється.

4. Обмеження твердості поверхні, що обробляється (не повинна бути вищою за 60 HRC).

Розміри та форма деталей при детонаційно-газовому напиленні покриттів обмежені лише технологічними можливостями пристрою для переміщення виробів і розмірами звукоізольованого боксу (камери), в якому проводиться обробка. Внутрішні циліндричні поверхні діаметром більше 10 мм повинні мати довжину, що не перевищує 1.5 діаметра.

Деталь, яка підлягає напиленню, встановлюється у пристрій (спеціальний або універсальний), змонтований на маніпуляторі, який забезпечує задану кінематику відносного переміщення деталі і детонаційно-газової установки. Деталь повинна вставлюватися таким чином, щоб не було перешкод між зрізом сопла та поверхнею, яка обробляється. Необхідно забезпечити кут потоку часточок, які напиляються на поверхню деталі в межах від 45⁰ до 90⁰. Дистанція напилення в межах 50-200 мм (відстань між зрізом сопла і поверхнею, що обробляється) вибирається в залежності від порошкового матеріалу, його властивостей, розмірів та форми деталей.

2.3.3. Структурно-фазовий склад покриттів

На металографічних шліфах мікроструктура шару не виявляється навіть при багаторазовому поліруванні та травленні (рис.2.22). На (рис.2.23) наведена дифрактограма отримана з поверхні покриття, одержаного із порошкового сплаву системи Fe – Mn – C – B – Si – Ni – Cr. Видно, що внаслідок аморфізації фазовий склад поверхневого шару помітно змінився. Метастабільного карбіду Fe_0.4Mn_3.6C не виявлено. В більшій кількості виділяється g-фаза. В інтервалі кутів 2q = 40... 50 ° дифрактограма суттєво піднімається над рівнем фону, утворюючи гало.

Рис.2.22. Мікроструктура аморфних покриттів

системи Fe – Mn – C – B – Sі – Ni – Cr, х 400

Це свідчить про присутність аморфної фази в поверхневому шарі. Одночасно на рентгено­грамах після імпульсної аморфізації завжди при­сутні рефлекси кристаліч­них фаз, у даному випадку a- і g - заліза. Наявність цих рефлексів може бути обумовлена можливістю утворення кристалічних фаз у результаті повторного нагріву шару, що аморфізувався, при їх перекритті в процесі напилення або в результаті неповної аморфізації часточок великого діаметра (рис.2.22).

Рис.2.23. Дифрактограма, отримана в - випромінюванні з по­верхні покриття, одержаного із порошкового сплаву ФМІ-14 детонаційно-газовим напиленням

2.3.4. Вибір базової системи елементів та їх концентрації для отримання порошкових матеріалів і покриттів

Виходячи з технологічних особливостей отримання евтектичних сплавів і покриттів, а також виключення тріщиноутво­рення в покриттях, найбільш допустимий вміст вуглецю і бору в евтектиці системи Fe – Mn – C становить 2.5-3.5 мас. %.

Елементи системи Fe – Mn – C – В дозволяють проводити її легування Ni, Cr, Ni – Cr, V, Ti, Al, що створює можливість формування порошкових матеріалів із заданими властивостями або їх комплексом (табл.2.7).

Залізо – основний елемент, який також входить до складу зміцнюваних виробів, утворює тверді розчини та хімічні сполуки із карбідоутворюючими елементами порошкового сплаву.

Вуглець і бор утворюють з Fe високоміцні карбіди, бориди та тверді розчини проникнення. Марганець є карбідоутворюю­чим еле­ментом. Карбіди Fe₃C та Mn₃C при температурі 900°С утворюють неперервний ряд твердих розчинів. Mарганець сприяє зміщенню g-a-перетворення в сторону більш низьких температур. При цьому зменшується швидкість протікання дифузійних процесів. Кремній збільшує самофлюсованість евтектичних сплавів.

Таблиця 2.7.

Порошкові сплави для детонаційного напилення

Марка порошку	Система	Mn*	Si	S	P	Ni	Cr
ФМІ - 14	Fe – Mn – C – B – Si – Ni – Cr	12,00	4,4	0,010	0,030	11,63	11,96
ФМІ - 16	4,55	2,7	0,008	0,026	10,20	14,13
ФМІ - 44	4,00	2,5	0,010	0,030	11,60	11,00

* концентрація елементів подана в мас. %.

Дата добавления: 2015-07-18