Література. 1. И.И.Фрумин. Автоматическая електродуговая наплавка

1. И.И.Фрумин. Автоматическая електродуговая наплавка. - Харьков: Металургиздат, 1961.- 421с.

2.9. Електродугове напилення

Напилення є одним із способів обробки поверхонь матеріалів, яке використовується протягом декількох десятків років. Основне призначення напилення – захист від корозії різноманітних будівельних конструкцій і резервуарів, ремонт зношених поверхонь деталей машин та інструменту.

Напиленням можна наносити на покриття з різними властивостями (теплостійкі, теплоізоляційні, зносостійкі, корозійностійкі, електроізоляційні і інші) виробів з різноманітних матеріалів, а саме: на метали, cкло, фарфор, деревину, тканину та інші. Рівномірне покриття можна напилити як на велику площу, так і на невеликі ділянки виробів, незважаючи на їх розміри, що не завжди можливо при багатьох інших методах поверхневої обробки, коли розміри деталі обмежуються розмірами робочих об’ємів, наприклад, ванн. Основа, на якій відбувається напилення, мало деформується, тоді як при інших методах нанесення покриття її необхідно нагрівати до високої температури всю або більшу її частину, що часто призводить до її деформування.

2.9.1. Класифікація методів напилення

У наш час існує багато різних типів установок для напилення. Із розвитком виробництва збільшуються потужності апаратів для напилення, їх продуктивність і удосконалюється механізація процесів напилення.

За типом джерела теплової енергії, яка використовується для розплавлення матеріалу, що напиляється, існуючі конструкції апаратів можна поділити на два види: газополуменеві та електричні. У газополуменевих апаратах використовується теплота, яка виділяється при горінні суміші, горючий газ - кисень. Дія електричних апаратів грунтується на використанні теплоти електричної дуги.

З електричних видів напилення найбільш ефективним є спосіб електродугової металізації. Раніше при електрометалазації використовували дугу, яка горить на змінному струмі, що не дозволяло отримати стійкий процес розпилення дроту. Зараз в електрометалізаційних апаратах для утворення дуги використовують постійний струм, що забезпечує кращу стабільність горіння дуги. В останні роки були розроблені і почали застосовуватись у промисловості плазмові розпилювачі і установки для високочастотного індукційного напилення, які, в порівнянні з існуючими методами, мають більш широкі технологічні можливості (напилення покриттів і деталей практично будь-якими матеріалами).

2.9.2. Електродугова металізація

Принципова схема електродугового металізатора приведена на рис.2.62, а його зовнішній вигляд – на рис.2.63.

Рис.2.62. Принципова схема електрометалізатора для напилення покриття з дроту: 1 – струмопровід; 2 – направляючі для дроту

У лівій частині електрометалізатора встановлені напрявляючі, через які неперервно відбувається подача двох дротів, що напилюються. Між їхніми кінцями збуджується електрична дуга. У центральній частині електрометалізатора знаходиться сопло, через яке подається стиснуте повітря. Струмінь стиснутого повітря відриває з електродів часточки розплавленого металу і переносить їх до поверхні, яка напиляється.

Рис.2.63. Електрометалізатор

Електрометалізатор може працювати як на постійному, так і на змінному струмі. При використанні змінного струму дуга горить нестійко і супроводжується великим шумом. При постійному струмі характер роботи металізатора є стійким, матеріал, який напилюється, має дрібнозернисту структуру, продуктивність напилення підвищується. Тому в наш час для дугового напилення використовують джерела постійного електричного струму. Стабільність горіння дуги забезпечується підведенням високочастотної напруги. Для напилення використовують дріт діаметром 0.8; 1.0; 1.6; і 2.0 мм.

На рис.2.64 показано процес розплавлення електродів при напиленні і перенесення капель розплавленого металу струменем повітря. На рис.2.65 наведені фотографії дуги, яка горить на електродах, що розпиляються. які отримали швидкісною зйомкою при різних тисках стиснутого повітря.

Рис.2.64. Процес розплавлення матеріалу в електрометалізаторі:

1 – катод; 2 – анод

Перевагою методу електродугової металізації є висока продуктивність процесу і можливість значного скорочення втрат часу на напилення. Наприклад, при силі струму 750 А можливо напилювати стальне покриття з продуктивністю 36 кг/год, що перевищує у декілька разів продуктивність газополуменевого методу. Порівняно з газополуменевим напиленням електродугова металізація дає також змогу отримувати покриття з кращою адгезією до основи. При використанні в ролі електрода дроту з двох різних металів, отримане покриття буде їх сплавом. При напиленні покриття розпиленням двох електродів з різних матеріалів бажано використовувати електрометалізатори, які дозволяють окремо регулювати швидкість подачі кожного електрода.

Рис.2.65. Розплавлення електричною дугою матеріалу, який напиляється, і процес його розпилення. Електроди – вуглецева сталь з 0.3% С. Напруга дуги 30 В; сила струму дуги 300 А

Недоліком даного методу є перегрів і окислення матеріалу, який напилюється, при малих швидкостях подачі електродів. Крім того, велика кількість тепла, що виділяється при горінні дуги, призводить до значного вигоряння легуючих елементів, які входять в розпилюваний сплав (вуглець вигоряє на 40-60 %; кремній і марганець – на 10-15 %). Це необхідно враховувати і використовувати при напиленні дротом з підвищеним вмістом легуючих елементів, хоча це зумовлює значне збільшення вартості.

2.9.3. Технологія напилення

Процес напилення при електродуговому методі включає на­ступні операції: попередню обробку поверхні основи для забезпечення кращого її зчеплення з напилюваним матеріалом; напилення матеріалу; обробку покриття після напилення, якщо в цьому є необхідність.

2.9.4. Напилення при електродуговій металізації

При електродуговій металізації, як і при газополуменевому напиленні, необхідна попередня підготовка основи.

Дроти – електродні матеріали, які напилюються, подаються вздовж пальника. При їх зближенні між кінцями дротів запалюється дуга. При низькій напрузі, яка не перевищує 15 В, між торцями елек­тродів виникають тільки спалахи. При напрузі 15-25 В утворюється дуга, яка має нестійкий, змінний характер горіння. При підвищених (30-35 В) значеннях напруги дуга стає неперервною і стійкою. Стійке горіння дуги спостерігається у тому випадку, коли віддаль між елек­тродами є невеликиою і становить приблизно 0.8 мм.

В електрометалізаторі кут між електродами, звичайно, складає 35-60 градусів. При кутах, які перевищують 60 градусів, процес напилення стає чутливішим до змін умов напилення і нестабільним. При правильно відрегульованому режимі напилення кінець анода набуває видовженої форми. При цьому утворюються краплі розплаву. Катод при утворенні крапель набуває відповідної форми.

Режими роботи електрометалізатора для різних матеріалів, які напилюються, наведені у табл.2.16 і 2.17. У випадку використання змінного струму процес напилення нестійкий і супроводжується великим шумом. При роботі електрометалізатора на постійному струмі дріт, який напилюється і виконує функції анода, розплавляється приблизно на 50 % скоріше, ніж катод (теоретично на аноді виділяється 66 % теплової енергії дуги). Відповідно анодний дріт необхідно подавати швидше катодного. Однак на практиці не виникає необхідності у різних швидкостях подачі електродів.

Важливим при напиленні є правильне регулювання струму, що дозволяє узгодити швидкості подачі дротів зі швидкістю їх розплавлення і таким чином забезпечити постійність довжини дуги. При напиленні відстань від електрометалізатора до оброблюваної поверхні, зазвичай, складає 100-200мм.

Таблиця 2.16.

Режими напилення електрометалізатором деяких матеріалів

(змінний струм, тиск стиснутого повітря 50 кПа)

Матеріал, який напиляють	Діаметр дроту, мм	Напруга, В	Струм, А	Продуктивність, кг/год
Вуглецева сталь (0.1 % С)	1.6
Цинк	2.0
Алюміній	2.0
Бронза	2.0			5.5
Мідь	1.6
Латунь	1.6

2.9.5. Напилювані матеріали

Розробка нових конструкцій розпилювачів, у яких для нагріву і прискорення часточок матеріалу, що напиляється, використовується плазмовий струмінь або енергія вибуху суміші горючих газів, а також покращання характеристик вже існуючих пальників, дозволяє напиляти практично усі матеріали, які існують у твердому стані і які у процесі розпилення слабо випаровуються і суттєво не змінюють своїх властивостей.

Таблиця 2.17.

Режими роботи електродугового металізатора

(постійний струм, тиск стиснутого повітря 50 кПа)

Матеріал, який напиляється	Діаметр дроту, мм	Напруга, В	Струм, А	Продуктив-ність, кг/год
Вуглецева сталь	1.6			8.5
Цинк	2.0

При напиленні деяких матеріалів не вдається отримати щільне і міцне покриття внаслідок появи у напиленому шарі мікротріщин, поява яких пов’язана з процесом різкого охолодження і нерівномірною усадкою розплавлених часточок у момент їх співударяння з підкладкою.

При дуговому напиленні в якості матеріалу, який напилюється, у більшості випадків використовується дріт. Це дозволяє здійснити неперервну і рівномірну подачу матеріалу, який напиляється, у пальник, що збільшує стійкість процесу напилення і якість отримуваного покриття. Для напилення використовують наступні матеріали: цинк, алюміній, хром, молібден, олово, свинець і його сплави, мідь і мідні сплави, нікель і нікелеві сплави, залізо і вуглецеві сплави, корозійно­стійкі сталі та інші матеріали (кадмій, золото і платина).

Широке застосування порошкових методів напилення у промисловості обмежується вимогами до порошкових матеріалів, в дійсності до форми часточок і гранулометричного складу (це пов’язано із забезпеченням рівномірної подачі порошків у розпилювач).

2.9.6. Процеси, які відбуваються при напиленні

Для напилення застосовують різноманітні джерела, енергія яких використовується на нагрівання і розплавлення матеріалу, який напиляється. Дріт розплавляється з утворенням часточок у вигляді крапель. Розплавлені часточки з високою швидкістю співударяються з поверхнею основи і нашаровуються на неї, що призводить до утворення захисного покриття, яке може мати необхідні властивості.

Для розуміння процесів, які відбуваються при напиленні, необхідно вивчити особливості нагріву часточок матеріалу, який напиляється, їх рух від пальника до основи і співударяння з нею, структуру перехідної зони між покриттям і основою та когезію між напиленими часточками. На ці процеси впливають наступні фактори:

- метод і технологія напилення;

- діаметр дроту;

- питома теплоємність;

- теплопровідність;

- електропровідність;

- ступінь проплавлення;

- хімічні реакції, які протікають при високих температурах нагріву матеріалів, що напиляються, і їх хімічна активність по відношенню до матеріалу основи.

2.9.6.1. Зіткнення часточок з поверхнею деталі і формування покриття

При будь-якому способі напилення поверхню основного матеріалу розташовують, звичайно, на відстані не менше 100 мм від зрізу сопла пальника. Покриття утворюється з окремих розплавлених або близьких до цього стану часточок, які із високою швидкістю співударяются і нашаровуються на поверхню основи.

На рис.2.66 показана схема утворення покриття при напилюванні. При русі до основного металу у високотемпературному газовому середовищі часточки знаходяться в розплавленому стані і їхня по­верхня покривається окисною плівкою. При зіткненні з поверхнею основного матеріалу або поверхнею раніше утвореного покриття, часточки розплющуються, створюючи тонкий прошарок, механічно зчеплений із поверхнею основного матеріалу або покриття. При напилюванні металу швидкість охолодження часточок становить 106-108°С/с, а при напилювані кераміки – 104-106°С/с, тому криста­лізація рідких часточок завершується протягом мізерно малого проміжку часу. Налипання часточок здійснюється за допомогою механічного зчеп­лення з макровиступами підкладки і через місця руйнування оксиду підкладки. У місцях руйнування оксидних плівок відбувається сплавлення металевих часточок із підкладкою, яке характеризується високою адгезією покриття з підкладкою. У процесі напилення часточок одна на одну серед розплавлених попадаються і не цілком розплавлені часточки. Крім цього, всередині покриття виникають заповнені газом зазори і порожнини, кількість яких визначає пористість покриття.

Будь-який спосіб напилювання припускає рух нагрітих до рідкого стану часточок у газовому струмені від зрізу сопла пальника до поверхні основного матеріалу. При газополуменевому і плазмовому напилюванні на повітрі відбувається інжекція навколишнього повітря в струмінь, який транспортує матеріал до виробу.

При дуговій металізації для розпилення матеріалу і його транспортування до виробу використовують струмінь стиснутого повітря. Таким чином, рух розплавлених часточок у струмені повітря супроводжується взаємодією їхньої поверхні з киснем і азотом навколишнього повітря. При плазмовому напилюванні, коли в якості робочого газу використовують азот, нагрів часточок напилюваного матеріалу відбувається в плазмовому потоці цього газу. У результаті того напилювані часточки можуть взаємодіяти з азотом і продукти їх взаємодії будуть входити до складу покриттів.

Рис.2.66. Схема утворення покриття при напиленні: 1 – окисна плівка; 2 – часточка розплавленого напилюваного матеріалу; 3 – часточка при зіткненні із поверхнею; 4 – ділянка механічного зчеплення; 5 – ділянка локального сплавлення; 6 – неповністю розплавлена часточка; 7 – пора; 8 – поверхня основного матеріалу; 9 – основний матеріал

Часточки напилюваного металу або сплаву (у залежності від стійкості до окислювання) у тій чи іншій мірі можуть піддаватись окисленню. У процесі нанесення покриття вступають у взаємодію з киснем, у результаті чого до моменту зіткнення з поверхнею основного матеріалу на часточках утворюється тонка окисна плівка.

Виявлення оксидів у покриттях, напилених металом або сплавом, викликає великі труднощі. При мікроструктурних дослідженнях з метою виявлення оксидів покриття рекомендується піддавати шліфуванню без травлення. Проте в стані після шліфування дрібні оксидні часточки можуть бути непомітні серед слідів пластичної течії металу, тоді для їх виявлення проводять легке травлення. У напилених міддю покриттях вміст кисню можна кількісно визначити з високою точністю, а оксиди в таких покриттях легко виявляються при мікрострук­турних дослідженнях, особливо після травлення шліфа аміаком. На рис.2.67 часточки оксиду міді (Сu2О) видно як темні прошарки між світлими металевими в перетині покриття, напиленого міддю. Після відпалу у високому вакуумі при температурі 800 °С розподіл оксидів, які були піддані сфероїдизації, спостерігається ще більш виразно (рис.2.68).

Рис.2.67. Мікроструктура мідного покриття

(темні ділянки – оксиди міді) після напилення

При напиленні цинком оксиди досить негативно впливають на якість покриття, але при напилюванні алюмінієм інтенсивне утворення оксидів при наступній термообробці може перешкоджати дифузії алюмінію в основу виробу і алітування відбудеться на недостатню глибину. При нанесенні алюмінієвих покриттів збільшення відстані між пальником і основним матеріалом призводить до значного підвищення вмісту оксидів у покритті.

Рис.2.68. Мікроструктура мідного покриття після відпалу

Великий вміст оксидів у покритті характерний також для дугової металізації. При напиленні вуглецевої сталі, що містить 0.4 % С, у напиленому покритті міститься 10.5 % оксидів і 1.5 % нітридів.

Великий вміст оксидів виявлено у мідних покриттях, напилених плазмовим способом. При плазмовому напиленні вольфраму на основу з графіту можуть утворитися як оксиди (W0₂, W₄0, W0₂), так і його нітриди (W₂N, W₃N₂, WN, W₂N₂ і WN₂).

При напиленні склад напилюваного матеріалу може змінюватися. У табл.2.18 наведено дані по зниженню вмісту вуглецю в покритті при газополуменевому напиленні дротом з різноманітних вуглецевих сталей.

Інтенсивний нагрів часточок матеріалу, який напилюється при дуговій металізації, також стає причиною зниження вмісту деяких компонентів складу. У табл.2.19 наведено дані по зниженню вмісту вуглецю в покритті при дуговій металізації вуглецевих сталей різного складу. В усіх випадках спостерігається значне зниження вмісту вуглецю в матеріалі покриття.

Таблиця 2.18.

Зміна складу вуглецю (мас.%) при газополуменевому

напиленні дротом з вуглецевих сталей

Вміст вуглецю в матеріалі, що напилюється (дроті)	Вміст вуглецю в напиленому покритті
0.91	0.88
0.69	0.65
0.30	0.30
0.07	0.05

Таблиця 2.19.

Зміна складу вуглецю (мас.%) при дуговій металізації

дротом з вуглецевих сталей

Вміст вуглецю в напилюваному матеріалі (дроті)	Вміст вуглецю в напиленому покритті
0.91	0.39
0.69	0.16
0.30	0.13
0.07	0.04

У табл.2.20 для порівняння наведено вміст марганцю, кремнію і хрому при дуговій металізації і газополуменевому напиленні дротом. Ці дані переконливо свідчать, що при дуговій металізації відбувається значне зменшення вмісту цих елементів у покритті.

При плазмовому напиленні сплавами на основі нікелю з вико­ристанням у якості робочого газу аргону склад напилюваного матеріалу практично не змінюється.

Деякі матеріали після напилення можуть змінювати свою кристалічну структуру в результаті фазових перетворень, які відбуваються при нагріванні до високої температури і швидкого охолодження напилюваних часточок. При газополуменевому напиленні алюмінію одержують покриття, яке складається з γ-фази (кубічна кристалічна гратка, гратка шпінелі) з невеликим вмістом θ- і α-фаз (гексагональна гратка). При плазмовому напиленні алюмінію покриття малої товщини складаються з θ-фази (гранецентрована кубічна гратка) і δ-фази (гексагональна гратка) із домішками γ- і α-фаз; покриття великої товщини (наприклад, 0.25 мм) складаються із α- і γ-фаз і дуже малої кількості δ- і θ-фаз.

Таблиця 2.20.

Зміна складу кремнію, марганцю і хрому в сталях (мас.%)

при газополуменевому і дуговому напиленні

Вміст легуючих елементів у напилюваному матеріалі*	Вміст легуючих елементів у покритті
Газополуменеве напилення	Дугова металізація
Марганець	0.41	0.35	0.30
	0.50	0.48	0.36
	0.52	0.46	0.36
	0.60	0.55	0.45
Кремній	0.23	0.20	0.14
	0.23	0.21	0.14
	0.27*	0.27	0.22
Хром	1.18	1.12	1.12
* Сталь, з вмістом 1.18 % Cr

При газополуменевому напиленні порошком або прутком з глинозему, як і при плазмовому напиленні цим матеріалом, одержують покриття, які складаються з γ- і α-фаз (табл.2.21). Після нагрівання до 1250 °С і витримки при цій температурі протягом 2 год з наступним повільним охолодженням велика частина покриття перетворюється в стійку α-фазу. Структура такого покриття в значній мірі залежить від режиму напилення.

Наведені вище приклади демонструють, що напилення керамічними матеріалами супроводжується різноманітними структурними перетвореннями. Отримані покриття мають складну структуру, сутність котрої нерідко залишається незрозумілою. Знання дійсної температури поверхні основного матеріалу має велике значення для вивчення процесу напилення, проте визначення цієї температури пов’язане з великими труднощами. Умови нагрівання основного матеріалу при напиленні залежать від використовуваного джерела теплової енергії, умов напилення і виду напилюваного матеріалу.

Таблиця 2. 21.

Результати рентгеноструктурного аналізу

напилених оксидом алюмінію покриттів

Напилювані матеріали з кристалічною будовою (α - Al2O3 )	Джерело нагріву	Об’ємна частка структурних фаз у покритті, %
Γ = Al2O3	α = Al2O3
Оксид алюмінію японського виробництва: Порошковий	Ацетилен-кисневе полум’я
Прутковий	Те саме
Прутковий оксид алюмінію “Rokide A”	Те саме
Порошковий оксид алюмінію “Metco” № 101	Плазма (аргон + 15 % водню)

З метою вивчення температури основного матеріалу проведений експеримент, під час якого тонкі ніхромові нитки термопари закріплювали в підкладки і в залежності від відстані від зрізу сопла пальника до виробу проводили газополуменеве напилення дротом. Експеримент показав, що при відстані 100 мм середня температура невеликої ділянки основного металу (де була закріплена термопара), при напиленні вуглецевою сталлю, міддю, алюмінієм і оловом становила 250, 230, 140 і 120 °С відповідно. Під час одного з експериментів вимірювали температуру з протилежного боку зразка основного металу (низьковуглецевої сталі) розміром 4.5х100х100 мм при плазмовому напиленні оксидом алюмінію з лицьового боку цього зразка. Результати експерименту показали, що при відстані напилення рівній 110 мм, температура основного металу досягала 300 °С вже через 2 хв після початку напилення і залишалася на цьому рівні до закінчення процесу.

Рис.2.69. Часточки порошку евтектичного сплаву системи

Fe – Mn – C – B – Si – Ni – Cr (ФМІ-14), розпилені аргоном. х100

Узагальнюючи, можна констатувати, що при нанесенні нагрітих до плавлення часточок напилюваного матеріалу утворення покриття в процесі їхнього зіткнення з основним матеріалом відбувається при температурі поверхні основного матеріалу до 200 °С (при напиленні деякими матеріалами – до 350 °С). Щоб уникнути перегріву основного матеріалу рекомендується його охолоджувати з протилежного боку струменем повітря.

Рис.2.70. Мікроструктура аморфних покриттів системи Fe – Mn – C – B – Si (ФМІ-9) (а) і Fe – Mn – C – B – Si – Cr (ФМІ-13) (б), одержаних на сталі 45 імпульсно-плазмовим напиленням. х100

2.9.7. Застосування напилення

В якості джерел теплоти при напиленні використовують газове полум’я на основі кисню – горючий газ, а також електричну дугу. Але газополуменевим напиленням неможливо отримати покриття з матеріалів, температура плавлення яких вища температури горіння газового факела.

При електродуговому напиленні матеріал повинен володіти відповідною електропровідністю. Цей метод напилення не дозволяє напиляти порошкові матеріали.

Напилення використовують для надання поверхням деталей різних конструкцій, машин і приладів таких властивостей як зносостійкість, жаростійкість, корозійна стійкість, а також теплостійкость і т.д.

Конструкційні матеріали, з яких виготовлені різноманітні будівельні конструкції, резервуари для хімічних продуктів обробляють напиленням. Для деталей машин і апаратів напилення в основному використовують для відновлення поверхонь, які зносилися у процесі експлуатації в результаті тертя або ерозії. При вмілому використанні особливостей напилення ще на стадії проектування можна в значній мірі підвищити економічність конструкції і її технічні характеристики.

2.9.7.1. Застосування напилення в загальному машинобудуванні

Корозійна стійкість і зносостійкість є важливими характеристиками покриття, які у значній мірі визначають області їх застосування.

Області застосування покриттів:

- в автомобільній промисловості – кулачковий вал, головка клапана, вал водяного насоса, поршень, циліндр, пластина муфти і інші;

- в цементній промисловості – деталі конвейєрів, клапани, підшипники;

- в хімічній промисловості – клапани і вісі насосів, кислотостійкі плунжери насосів, втулки, кільця і інші;

- в вугільній і металообробній промисловості – лопасті насосів, захисні екрани, деталі пневмообладнання, матриці, пуансони і інші деталі штампового обладнання;

- в верстатобудівній промисловості – різноманітні калібри, оправки, центри токарних верстатів, шнеки;

- в енергетичній промисловості – шнеки для подачі кам’яного вугілля, вентиляційне обладнання, парові клапани, деталі конвейєрів і інші;

- в інших областях – різноманітні підшипники, колінчасті вали, зубчасті колеса та інші.

2.9.7.2. Застосування напилення для підвищення корозійної стійкості

Цинкові покриття (товщиною 0.08-0.38мм) використовують для підвищення корозійної стійкості сталі у атмосфері повітря, а також у соляній воді. Покриття наносять на стальні конструкції: мости, башти, шлюзи, судна, трубопроводи, різноманітне шахтове обладнання, газові ємності, насоси, стальні шасі, поруччя і інші.

Алюмінієві покриття (товщиною 0.13-0.51 мм) використовують для захисту сталі у звичайній і промисловій атмосферах, а також морській воді, як при кімнатній, так і при підвищених температурах. Покриття наносять на резервуари для зберігання води, стальні кон­струкції, які працюють у промислових районах в сірчаній атмосфері, обладнання харчової промисловості, камери згоряння, димоходи, корпуси суден і т.д.

Кадмієві покриття знаходять застосування в машинобудівній галузі аналогічно до алюмінієвих.

Дата добавления: 2015-07-18