книги / Теория и технология нанесения газотермических покрытий

УДК 621.793.164 (075.8) ББК 34.663

М34

Рецензенты:

д-р техн. наук, профессор Л.Д. Сиротенко (Пермский национальный исследовательский

политехнический университет); канд. техн. наук А.А. Шумков (ПАО «Протон-ПМ»)

покрытий : учеб. пособие / Е.В. Матыгуллина, Д.И. Токарев. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2021. – 74 с.

ISBN 978-5-398-02570-5

Рассмотрены теоретические основы и технологии нанесения покрытий методами газотермического напыления. Представлены оборудование и технологии для методов электродуговой металлизации, газопламенного напыления, плазменного напыления, детонационногазового напыления. Рассмотрены материалы для напыления покрытий.

Предназначено для студентов технических вузов. Также может быть полезно специалистам в области нанесения покрытий.

УДК 621.793.164 (075.8) ББК 34.663

4

ВВЕДЕНИЕ

Нанесение покрытий на изделия используется для существенного улучшения их эксплуатационных свойств. Например, покрытия наносят для повышения износостойкости поверхностей трения изделия либо для придания поверхностям изделия теплозащитных или электроизоляционных свойств. Также покрытия наносят для восстановления размеров изношенных изделий [1, 5, 6].

Внастоящее время имеется большое количество методов нанесения покрытий. Эти методы основаны на различных физических принципах. Покрытия большой толщины формируются за счет высокоэнергетических процессов электрической, плазменной или кинетической природы. Тонкие пленки формируются за счет атомарных процессов кинетической или химической природы [2, 7]. Методы исследования различных параметров качества покрытий также многочисленны и разнообразны [12, 16, 18]. Поэтому уровень квалификации специалистов, занимающихся технологиями, связанными

снанесением покрытий, должен быть очень высок.

Вучебном пособии последовательно рассмотрены все аспекты работы с покрытиями на этапах их производства, контроля качества и эксплуатации. Представлена технология газотермического напыления и параметры этого процесса. Описаны оборудование и технологии для методов электродуговой металлизации, газопламенного напыления, плазменного напыления, детонационно-газового напыления. Рассмотрены материалы, используемые для напыления покрытий.

5

ГЛАВА 1. ТЕХНОЛОГИЯ ГАЗОТЕРМИЧЕСКОГО НАПЫЛЕНИЯ

Газотермическое напыление (ГТН) – это нанесение покрытий распылением жидкого или твердого вещества струей газа.

1.1. Организация технологического процесса ГТН

Технологический процесс нанесения покрытий методом ГТН состоит из следующих этапов [4, 15]:

1. Подготовка производства:

–конструкторско-технологическая (подбор напыляемого материала исходя из требуемых эксплуатационных свойств; выбор метода напыления, оборудования, режимов процесса; составление технологической документации);

–техническая (настройка технологических режимов работы оборудования, подготовка рабочих и вспомогательных материалов).

2. Процесс нанесения покрытия (рис. 1.1).

3. Контроль качества нанесенного покрытия.

4. Дополнительные технологические операции по доработке покрытия.

5. Окончательный контроль качества изделия.

При назначении любой технологии руководствуются критериями выбора, которые можно разбить на две группы:

1. Технологические критерии выбора:

–номенклатура деталей, подлежащих напылению (марка материала, габариты изделия, геометрические характеристики зон упрочнения (напыления), требования к чистоте поверхности, условия эксплуатации узла или механизма);

–номенклатура специального оборудования (метод подготовки

инапыления, характеристики рабочих сред, специальные требования к свойствам покрытий, технологичность операций подготовки

инапыления, надежность оборудования);

6

–номенклатура напыляемых материалов (физико-механические

испециальные свойства напыляемых материалов, химический состав и склонность к взаимодействию с активными газами среды напыления, необходимость дополнительной обработки и обрабатываемость покрытий).

Рис. 1.1. Процесс нанесения покрытия

2. Экономические критерии выбора:

–окупаемость оборудования;

–эффективность замены детали на упрочненную ГТН;

–стоимость подготовительной и окончательной обработки;

–стоимость напыления, транспортировки и хранения. Рентабельность не всегда является определяющим фактором

впринятии решения об использовании ГТН. Указанные критерии

7

могут быть положены в основу оптимизации выбора процессов напыления.

В настоящее время существует трехуровневая система организации процесса изготовления деталей с помощью ГТН.

Первый (низший) уровень – реализация наиболее простых технологических процессов при низкой автоматизации труда. Номенклатура деталей широкая, но производство единичное.

Второй (средний) уровень предполагает использование более сложных технологий и большее их разнообразие. На предприятиях предусматриваются специализированные участки напыления с оборудованием для нескольких процессов ГТН. Номенклатура изделий широкая. Такая система организации характерна для мелкосерийного производства.

Третий (высший) уровень – применение типовых технологических процессов для массового выпуска деталей. Характеризуется сложной схемой организации процессов с широкой компьютеризацией и роботизацией.

1.2. Выбор типа покрытия

Существуют следующие группы покрытий [10]:

1.Защитные. Это наибольшая группа (износостойкие, коррозионностойкие, жаростойкие, теплозащитные, электроизоляционные и др.). Соответственно условиям эксплуатации выбирают покрытия с определенными свойствами: износостойкие должны иметь минимальный коэффициент трения, покрытия для работы в масле – достаточно высокую пористость, покрытия на инструменте – минимальную пористость; коррозионно- и жаростойкие – невысокую пористость, устойчивость в агрессивных средах; теплозащитные – низкий коэффициент теплопроводности, высокую пористость.

2.Конструкционные. Они играют роль конструктивного элемента. Часто это тонкопленочный слой, наносимый на изделие. Основные требования к таким покрытиям – постоянство их химического состава, микроструктуры, однородность напряженного состояния.

3.Технологические. Такие покрытия в основном предназначены для упрощения процесса сварки или пайки. Они представляют собой напыленный промежуточный слой (припой).

8

Когда условия эксплуатации и тип покрытия определены, выбирают состав и толщину покрытия. Затем назначают метод и технологические условия работы оборудования, при которых будет возможно создание покрытия с заданными характеристиками.

1.3. Выбор метода напыления

Выбор метода напыления осуществляется по следующим критериям:

1. Качество и производительность.

Наилучшие показатели качества покрытий, получаемых методами ГТН, формируются при использовании методов плазменного и детонационно-газового напыления. При этом оба метода имеют высокую производительность. Однако метод детонационно-газового напыления требует более дорогостоящего и сложного оборудования, поэтому применяется только для напыления специальных покрытий.

2. Ограничения по составу напыляемого материала.

Методы ГТН имеют ограниченное применение при работе с материалами, обладающими термической нестабильностью (TiN, ZrN, AlN, оксиды железа, меди и др.). ГТН всегда связано с окислением на воздухе напыляемого материала. Наименьшие проблемы с сохранением исходного состава напыляемого материала возникают при детонационно-газовом напылении.

3. Ограничения по толщине покрытий.

Минимальная толщина газотермических покрытий соизмерима с размером напыляемых частиц – 10–100 мкм, максимальная не ограничена.

Производительность процесса ГТН достаточно высокая. Кроме перечисленных факторов при выборе метода и способа напыления имеют значение коэффициент использования материала, энергоемкость процесса и т.д.

При выборе состава покрытия руководствуются следующими требованиями:

1. Покрытие должно быть совместимо с материалом изделия (возможность адгезионного взаимодействия).

9

2. Исходное состояние композиции в процессе эксплуатации должно быть стабильным.

Для износостойких покрытий используют любые группы материалов (Мо и Cr (чистые металлы), Fe-C (простой сплав), Ni-Cr-B-Si-C (сложный сплав)).

Для коррозионно- и жаростойких покрытий также применяют материалы всех групп.

Для теплозащитных свойств необходимо наличие в покрытии оксидов.

Наиболее перспективны и широко разрабатываются композиционные материалы.

1.4.Подготовка напыляемого материала

Вкачестве напыляемого материала используются порошки, проволока, стержни.

Подготовка порошков заключается в отсеве требуемой фракции (40–80 мкм) и последующей просушке. Операция просушки позволяет снизить уровень влаги в порошке, что улучшает его сыпучесть,

атакже удаляет мелкие органические загрязнения. Просушку металлических порошков обычно осуществляют при температуре 120– 150 °С, оксидных – при температуре 400–600 °С. Порошок насыпают на противни толщиной засыпки 10–15 мм, время сушки при периодическом перемешивании составляет 2–5 ч.

Проволока, предназначенная для напыления, должна быть очищена от органических, химических и механических загрязнений (смазки, ржавчины и т.п.). Для этого используют обезжиривание сильными растворителями с последующей сушкой и протиркой, выжигание смазки нагревом бухты проволоки в печи при 100– 150 °С. Очистку производят путем перемотки в двух кассетных приспособлениях простого устройства с протягиванием через абразивные, войлочные или тканевые фильеры.

Для электродуговой металлизации целесообразно использовать омедненную проволоку, что значительно улучшает токосъем и сохраняет направляющие распылителя от истирания.

10