2.4. Восстановление деталей напылением
В теме изучаются следующие вопросы:
- физическая сущность процесса напыления;
- электродуговое напыление;
- индукционное напыление;
- газопламенное напыление;
- плазменное напыление;
- детонационное напыление;
- материалы для напыления.
Физическая сущность процесса напыления. Напыление материала включает его нагрев, диспергирование (дробление), перенос и удар частиц о восстанавливаемую поверхность, деформирование и закрепление. При напылении частицы материала нагреваются за счет теплообмена с высокотемпературной средой, разгоняются струей движущегося газа, достигают поверхности детали, деформируются и закрепляются, используя запас кинетической и тепловой энергии. Соединение металлических частиц с поверхностью детали - в основном механическое, но возникают также силы физического взаимодействия и металлической связи.
Достоинство процесса: высокая производительность, малый нагрев детали (150...200 °С), высокая износостойкость покрытий, возможность регулирования в широких пределах химического и фазового состава покрытия, возможность нанесения покрытий на различные материалы (в том числе на неметаллы) из металлов, сплавов, оксидов, нитридов, карбидов и пластмасс. К недостаткам процесса относится невысокая адгезионная и когезионная прочность покрытий по сравнению с прочностью монолитного металла. Напыление применяют для восстановления, упрочнения и коррозионной защиты поверхностей.
В зависимости от вида энергии, расходуемой на нагрев и движение частиц материала, различают напыление: электродуговое, индукционное, газопламенное, плазменное, детонационное и др.
Электродуговое напыление. Основано на расплавлении двух проволок, между которыми возбуждается электрическая дуга, ускорении и распылении капель расплавленного металла струей сжатого воздуха, подающегося в пространство электрической дуги.
Преимущества способа: большая производительность, возможность нанесения покрытий из тугоплавких металлов, простота оборудования, небольшие эксплуатационные затраты. Недостатки: значительное выгорание легирующих элементов и пониженная плотность покрытия.
Индукционное напыление. Напыляемая проволока подается в индуктор, нагревается и расплавляется вихревыми токами, возникающими за счет переменного магнитного поля. Расплавленный металл распыляется сжатым воздухом.
Рис. 9. Схема устройства для индукционного напыления:
1 - концентратор тока; 2 - индуктор; 3 - воздушный канал;
4 - проволока; 5 - подающие ролики
Головка индукционного аппарата (рис. 9) имеет высокочастотный индуктор и концентратор тока, который обеспечивает нагрев проволоки на небольшом участке. Ток высокой частоты вырабатывают ламповые, машинные или тиристорные генераторы.
Высокочастотное напыление обеспечивает небольшое окисление металла и высокую прочность покрытий, но имеет невысокую производительность процесса, а применяемое оборудование сложное и дорогое.
Газопламенное напыление. Производится при помощи аппаратов, в которых плавление наносимого материала производится за счет горения ацетилена, пропан-бутана или водорода в кислороде, а распыление материала - струей сжатого воздуха. Материал покрытия в виде проволоки или порошка подают в зону пламени с наибольшей температурой. Распространены аппараты для газопламенного напыления МГИ-1-57, ГИМ-1 и др. Этот вид напыления обеспечивает небольшое окисление металла, его мелкий распыл и высокую прочность покрытия.
Плазменное напыление. Основано на использовании энергии плазменной струи для нагрева и переноса частиц металла. Напыляемый порошкообразный материал вводят в сопло плазменной горелки (рис. 10).
Процесс обеспечивает
высокую производительность, высокие
физико-механические свойства покрытия,
незначительный нагрев заготовки,
возможно нанесение тугоплавких материалов
и многослойных покрытий из различных
материалов с сочетанием плотных и
твердых нижних слоев с пористыми и
мягкими верхними (для улучшения
прирабатываемости), износостойкость
покрытий высокая, достижима полная
автоматизация процесса. Прочность
соединения покрытия с основой выше
прочности, достигаемой предыдущими
способами напыления.
Рис. 10. Схема процесса плазменного напыления:
1 - порошковый дозатор; 2 - электрод-катод; 3 - изоляционная прокладка;
4 - сопло-анод; 5 - транспортирующий газ; 6 - охлаждающая вода;
7 - плазмообразующий газ
Свойства плазменных покрытий существенно улучшаются за счет их оплавления ацетиленокислородным пламенем, плазменной струей или токами высокой частоты. При этом плавится наиболее легкоплавкая часть материала. Жидкое состояние части покрытия способствует интенсивному протеканию диффузионных процессов. Металл заготовки остается в твердом состоянии. В результате оплавления значительно повышается прочность соединения покрытия с основой, увеличивается когезионная прочность, исчезает пористость и повышается износостойкость. Например, оплавленные покрытия из сплавов на основе никеля ПГ-СР2, ПГ-СРЗ и ПГ-СР4 имеют твердость HRC 35...60, повышенную в 2...3 раза износостойкость по сравнению с закаленной сталью 45, повышенную в 8...10 раз прочность соединения покрытия с основой по сравнению с прочностью соединения неоплавленных покрытий, повышенную на 20...25% усталостную прочность.
Детонационное напыление. Покрытия с малой пористостью (до 1%) и высокой прочностью соединения с подложкой (до 200 МПа) получают с помощью установок детонационного напыления. Наносимые частицы при детонационном напылении приобретают энергию во время горения и перемещения ацетиленокислородной смеси в стволе пушки длиной 1200...2000 мм и диаметром 8...40 мм. Скорость распространения детонационной волны 2000...4000 м/с, а температура сгорания смеси 2200...3100 °С. В качестве исходных материалов покрытий применяют различные металлические порошки с размером частиц 10...50 мкм, не реагирующие с продуктами сгорания. Процесс характеризуется высоким уровнем шума - 125...140 дБ и содержанием в отработавших газах оксидов углерода, азота и других элементов.
Материалы для напыления. В качестве напыляемых материалов применяют проволоку, порошковые сплавы или шнуровые материалы.
При газопламенном и электродуговом напылении обычно применяют углеродистую или пружинную проволоку. Для деталей, работающих в условиях трения, рекомендуется стальная проволока с повышенным содержанием углерода.
Износостойкие покрытия получают из порошковых сплавов на основе никеля или более дешевых сплавов на основе железа с высоким содержанием углерода. Повышение прочности соединения покрытий с основой достигается предварительным нанесением термореагирующего подслоя из алюминида никеля. Составляющие покрытия при нагреве и осаждении взаимодействуют между собой с выделением тепла, обеспечивающего металлургическую связь напыляемого материала с подложкой. Прочность соединения при этом достигает 50 МПа.
Шнуровые материалы представляют собой композиционный материал проволочного вида, полученный экструзией и состоящий из порошкового наполнителя и органической связующей, полностью сублимирующейся при нагреве свыше 400 °С. Существуют различные типы шнуровых материалов, используемых при восстановлении деталей.
Шнуровые материалы на основе самофлюсующихся сплавов системы Ni - (Со) - Сг - В - Si и их смесей с карбидом вольфрама применяют для нанесения защитных покрытий, устойчивых против коррозии и повышенной температуры (до 800 °С), стойких к абразивному изнашиванию. Покрытия после нанесения оплавляют при температуре 980...1200 °С, что обеспечивает металлургическое взаимодействие покрытия с основой по типу пайки твердым припоем.
Шнуровые материалы, содержащие добавки для экзотермического эффекта, наносят без оплавления.
Материал, содержащий 95% Ni и 5% А1, применяют в качестве подслоя. В составы шнуровых материалов вводят также дополнительно Fe и Мо, такие материалы наносят на поверхности шеек и кулачков коленчатых и распределительных валов.
Для износостойкой наплавки применяют шнуровые материалы на основе зерен размером 0,1...3 мм из литого карбида вольфрама (одного из самых твердых неприродных минералов) в матрице из специальных самофлюсующихся сплавов системы Ni - Сг - В - Si.
Покрытия, полученные газопламенным напылением шнуровых материалов, представляют альтернативу плазменным покрытиям.