Література. 1. Химико-термическая обработка металлов и сплавов: Спра­вочник // Г.В.Борисенок

1. Химико-термическая обработка металлов и сплавов: Спра­вочник // Г.В.Борисенок, Л.А. Васильев, Л.Г.Ворошнин и др .// Под ред. Л.С.Ляховича. – М.: Металлургия,1981.-424 с.

2. М.И.Пашечко, В.М.Голубец., М.В.Чернець. Формирование и фрикционная стойкость эвтектических покрытий. - К.: Наукова думка, 1993. - 344 с.

2.4. Імпульсне напилення

Сутність процесу напилення полягає у використанні теплоти газового полум’я чи електричної дуги для розігрівання часточок металу до температури плавлення або близькою до цього стану і нанесенні на поверхню, що обробляється.

2.4.1. Зіткнення часточок із поверхнею деталі та формування покриття

При різних способах напилення поверхня основного матеріалу розміщується на відстані» 150 мм від зрізу сопла плазмотрона. Покриття утворюється із окремих розплавлених або близьких до цього стану часточок, які з великою швидкістю співударяються і нашаровуються на поверхні основи.

На рис.2.24 показана схема утворення покриття при напиленні. В процесі руху до основного металу в високотемпературному газовому середовищі часточки знаходяться у розплавленому стані. Їх поверх­ня покривається оксидною плівкою. При зіткненні із поверхнею основного матеріалу або із поверхнею раніше утвореного покриття, часточки розплющуються, утворюючи тонкий шар, механічно зчеплений із поверхнею основного матеріалу або покриття. При напиленні металу швидкість охолодження часточок становить 10⁶-10⁸ К/с. При напиленні кераміки – 10⁴-10⁶ К/с. Тому кристалізація розплавлених часточок відбувається протягом дуже малого проміжку часу. В результаті утворюється покриття із аморфною структурою. Налипання часточок здійснюється шляхом їх механічного зчеплення із макровиступами підкладки і через місця руйнування оксидів. У місцях руйнування оксидних плівок відбувається сплавлення металевих часточок із підкладкою. Це забезпечує високу адгезію покриття із підкладкою. В процесі налипання часточок одна на іншу серед розплавлених зустрічаються і не повністю розплавлені часточки. Крім цього, всередині покриття виникають заповнені газом пустоти, кількість яких визначає пористість покриття.

Кожний спосіб напилення полягає у русі нагрітих до рідкого стану часточок у газовому потоці від зрізу пальника до поверхні ос­новного матеріалу. При газополуменовому і плазмовому напиленні на повітрі відбувається перетворення навколишнього повітря у потік, який транспортує матеріали до виробу.

При дуговій металізації для розпилення матеріалу і його транспортування до виробу використовується потік стиснутого повітря. Таким чином, рух розплавлених часточок у повітряному потоці супроводжується взаємодією їхньої поверхні із киснем і азотом навколишнього повітря. При плазмовому та імпульсно-плазмовому напиленні, коли робочим газом використовується азот, нагрівання час­точок напилюванного матеріалу відбувається у плазмовому потоці газу. Напилювані часточки можуть взаємодіяти із азотом, а продукти їх взаємодії будуть входити до складу покриття.

2.4.1.1. Переваги та недоліки напилення

Переваги методу:

1. Напиленням можна наносити покриття на вироби із найрізноманітніших матеріалів. Так, наприклад, метал можна наносити на скло, фарфор, органічні (дерево, папір) та інші матеріали.

2. Рівномірне покриття можна одержати як на великих площах, так і на обмежених ділянках великих виробів. Нанесення покриттів зануренням у розплав, електролітичне осадження, дифузійне нанесення та інші методи можуть бути використані, в основному, для деталей, розміри яких не перевищують робочих об’ємів ванн чи нагрівних пристроїв, що використовуються для цих цілей. Напилення є найбільш зручним і високоекономічним методом у випадку, коли необхідно нанести покриття на частину великого виробу.

Рис.2.24. Схема утворення покриття при напиленні: 1 – оксидна плівка; 2 – часточка розплавленого напилюваного матеріалу; 3 – часточка при зіткненні із поверхнею; 4 – поверхня механічного зчеплення; 5 – ділянка локального сплавлення; 6 – неповністю розплавлена часточка; 7 – пора; 8 – поверхня основного матеріалу; 9 – основний матеріал

3. Напилення і наплавлення є найбільш ефективними методами, коли необхідно значно збільшити розміри виробу (відновлення та ремонт зношених деталей). Цими методами можна одержувати шари товщиною в декілька міліметрів.

4. Обладнання, на якому проводять напилення, є порівняно прос­тим і ефективним. Його можна достатньо швидко переміщати.

5. Для напилення можна використовувати різні метали і сплави, а також велику кількість сполук та їх сумішей. Можна напиляти різні матеріали в декілька шарів, що дозволяє отримати покриття зі спеці­альними характеристиками.

6. Основа, на яку проводиться напилення, мало деформується, тоді як при інших методах нанесення покриттів необхідно нагрівати до високих температур всю деталь або її більшу частину, що призводить до деформування.

7. Напилення можна використовувати для виготовлення деталей різної форми. В цьому випадку напилення проводять із використанням оправки, яку після закінчення процесу забирають: залишається оболонка з напиленного матеріалу.

8. Технологічний процес напилення забезпечує високу продуктивність нанесення покриття і є відносно нетрудомістким.

Недоліки методу:

1. При нанесенні покриттів на невеликі деталі процес напилення є малоефективним із-за великих втрат напилюваного матеріалу. В цьому випадку метод є неекономічним і покриття краще наносити іншими методами.

2. Для попередньої підготовки поверхні основи перед напиленням широко застосовується піскоструменева або дробоструменева обробки кварцовим піском, корундом та іншими матеріалами, які забруднюють робочу поверхню та погіршують умови роботи операторів, що обслуговують установку.

3. У процесі напилення часточки матеріалу можуть розпилюватись, а також утворювати різні сполуки з повітрям, що шкідливо впливає на здоров’я працюючих. Тому на дільниці напилення необхідні потужні вентиляційні установки.

2.4.2. Технологія імпульсного напилення

Імпульсний характер процесу (~2 Гц) сприяє охолодженню одиничних шарів із швидкістю 10⁷-10⁸ °C/с, що сприяє формуванню метастабільної аморфної структури покриттів.

Покриття наноситься на імпульсно-плазмовому прискорювачі ”Імпульс-М” (рис.2.25).

Рис. 2.25. Імпульсно-плазмовий прискорювач “Імпульс-М”

2.4.2.1. Робочий цикл імпульсного напилення

Робочий цикл нанесення покриттів складається із наступних елементарних процесів:

1. Заповнення каналу пальною сумішшю.

2. Дозування і подача порошку розпилюваного матеріалу та пальної суміші в канал установки.

3. Запалювання та згоряння пальної суміші по всій довжині каналу ствола, яке відбувається в умовах нестаціонарного поширення полум’я в детонаційній хвилі.

4. Формування потоку часточок, що напиляються, їх прискорення в напрямку поширення детонації та нагрівання продуктами згоряння за фронтом детонаційної хвилі.

5. Витікання продуктів детонації з кінця каналу ствола та шумовбираючого пристрою в повітря, яке супроводжується утворенням і поширенням ударної хвилі в повітрі і в продуктах детонації.

6. Утворення нестаціонарних явищ в продуктах детонації після повного згоряння пальної суміші, що пов’язане з поширенням і затуханням відбитих хвиль. Ці явища при детонації газових сумішей в трубах можуть спостерігатись протягом 0,01секунди.

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

Пальною сумішшю канал заповнюється після попередньої продувки флегматизуючим газом, який виключає можливість її запалювання при контакті з гарячими продуктами детонації. Якщо проміжок часу між одиничними циклами згоряння пальної суміші достатній для охолодження продуктів згоряння, то продувка може бути виключена.

2.4.2.2. Переваги та недоліки імпульсного напилення

Перевагами технології є:

1. Можливість отримання покриттів із підвищеною міцністю зчеплення (10-160 МПа) і густиною (пористість 0.5-1.0 %) завдяки високій кінетичній енергії часточок напилюваного матеріалу.

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

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

4. Відносна простота конструкції установки.

Однак цей метод має і ряд недоліків:

1. Високий рівень шуму (біля 120 дБ), який є меншим у порівнянні із рівнем шуму установок “Дніпро”, що випускаються серійно, приблизно на 30 дБ. Шум та інші шкідливі впливи вимагають ізоляції зони обробки.

2. Технологічні обмеження на отримання покриттів з матеріалів, які мають у своєму складі елементи, що активно взаємодіють з компонентами середовища (високотемпературний потік продуктів детонації, які мають у своєму складі СО₂, СО, Н₂О, Н₂, О₂, N₂, Н, О, N).

3. Обмеження на обробку нежорстких деталей, викликані високими імпульсними тисками при дії потоку продуктів детонації на підкладку.

4. Обмеження по твердості поверхні, на яку напилюється матеріал (твердість не повинна перевищувати 60 HRC).

На відміну від детонаційно-газового напилення імпульсно-плазмовий метод більш енергоємний та дозволяє досягнути розплавлення часточок матеріалу, що напилюється, в цьому числі матеріалів з температурою плавлення вищою за 3000°С. Швидкість часточок порошку, що напилюється, збільшується до 2000 м/сек. Це дозволяє підвищити міцність зчеплення до 250 МПа і більше.

Встановлено, що найкращі результати при формуванні покриттів мають місце при використанні порошкових матеріалів із діаметром часточок менше за 40 мкм. Це накладає деякі обмеження на технологію імпульсно-плазмового нанесення покриттів.

2.4.2.3. Режими отримання покриттів на установці “Імпульс-М”

Напруга розряду................................................ 30 кВ

Частота імпульсів.............................................. 1 Гц

Число імпульсів................................................. 150

Дисперсність порошку...................................... до 63 мкм

Товщина покриття............................................. 1,5 мкм

Відстань від зрізу плазмотрона до металу...... 190-200 мм

2.4.3. Структурно-фазовий стан покриття

На металографічних шліфах мікроструктура шару не виявляється навіть при багаторазовому поліруванні та травленні (рис.2.26).

На рентгенограмах, отриманих з поверхні порошкового сплаву Fe – Mn – C – B – Si – Ni – Cr та покриття видно, що після аморфізації фазовий склад суттєво змінився. Метастабільного карбіду Fe_0.4Mn_3.6С не виявлено. Сильніше виявляється g-фаза. В інтервалі кутів 2q = 40-50° дифрактограма суттєво піднімається над рівнем фону і утворює гало. Це свідчить про наявність аморфної фази в поверхневому шарі. На рентгенограмах після імпульсної аморфізації завжди присутні рефлекси кристалічних фаз, в даному випадку a- і g-Fe. Наявність рефлексів a- і g-Fe на рентгенограмах може бути обумовлена можливістю утворення кристалічних фаз у результаті повторного нагрівання шару, що аморфізувався або в результаті неповної аморфізації часточок більшого діаметру.

При імпульсно-плазмовому методі напилення оксиди в покритті не виявлені. Аморфізація в більшій мірі проходить при нанесенні покриттів методами імпульсно-плазмового напилення в порівнянні із плазмовим напиленням та електроіскровим легуванням внаслідок великої швидкості охолодження і малої товщини шару матеріалу, який напилюється.

Рис.2.26. Мікроструктура аморфного покриття, одержаного із порошкового евтектичного сплаву системи Fe – Mn – C – B – Si – Ni – Cr (ФМІ-14) на сталі 45 імпульсно-плазмовим напиленням, х400

2.4.4. Мікротвердість покриттів

Встановлено, що додавання до базової суміші системи Fe – Mn – C – B – Si хрому сприяє підвищенню мікротвердості та твердості евтектичних покриттів. Додавання до базової суміші нікелю, а також нікелю та хрому, понижує вказані характеристики. Суттєвий вплив на мікротвердість покриттів має матеріал зміцнюваного виробу. Так, наприклад, Н_m50 евтектичного покриття на армко-залізі становить 2.5-9.2 ГПа, а на сталі У8 – 4-10 ГПа. Тут менші значення відносяться до матричної, більші – до армуючої фази. Доведено, що існує взаємозв’язок мікротвердості і твердості покриття з методом його нанесення. Наприклад, Н_m100 евтектичного шару на сталі 45 після плазмового на­плавлення вища за мікротвердість, яка отримана імпульсно-плазмовим напиленням. Температура, час і швидкість охолодження також значно впливають на мікротвердість і твердість евтектичних покриттів.

Таблиця 2.7.

Мікротвердість покриттів, одержаних імпульсно-плазмовим методом

Марка порошкового сплаву	Система	Марка сталі	Н100 евтектики, ГПа	Н100 основи, ГПа
ФМІ-9	Fe – Mn – C – B – Si		4.2-5.2	1.9-2.3
ФМІ-43	Fe – Mn – C – B – Si – Cr		4.2-5.9	1.6-2.3
ФМІ-17	Fe – Mn – C – B – Si – Cr		3.3-5.7	1.5-2.3
ФМІ-14	Fe – Mn – C – B – Si – Ni – Cr		3.2-5.3	1.5-2.2
ФМІ-15	Fe – Mn – C – B – Si – Ni		3.1-4.5	1.6-2.1
ФМІ-45	Fe – Mn – C – B – Si – Ni		5.3-6.2	1.5-2.2

Дата добавления: 2015-07-18