43 Нанесение износостойких покрытий

Для упрочнения поверхностей деталей машин широко применяют различные виды газотермического напыления, наплавки и др. способы нанесения износостойких покрытий.

Газотермическое напыление (англ. Thermal Spraying) – это процесс нагрева, диспергирования и переноса конденсированных частиц распыляемого материала газовым или плазменным потоком для формирования на подложке слоя нужного материала. Под общим названием газотермическое напыление объединяют следующие методы: газопламенное напыление, высокоскоростное газопламенное напыление, детонационное напыление, плазменное напыление, напыление с оплавлением, электродуговая металлизация и активированная электродуговая металлизация.

Детонационный способ нанесения порошковых покрытий основан на использовании энергии детонации в газах. При этом способе металлический или металлизированный порошок наносится взрывом ацетинкислородной смеси, обеспечивающим скорость частиц порошка 800–900 м/с.

Прочное соединение распыленных частиц порошка с подложкой обеспечивается микросваркой. Образование газово-порошковой смеси и еёвзрыв происходит в специальной камере, куда порошок подаётся струёй азота.

Подложка при взрыве совершает поступательное или вращательное движение. Материал порошков: карбиды вольфрама и титана, оксиды алюминия и хрома; металлы: хром, кобальт, титан, вольфрам. При каждом взрыве, продолжающемся 0,23 с, образуется слой толщиной 0,007 мм. Многослойное покрытие может иметь толщину 0,02–0,4 мм. Покрытия из этих порошков имеют большую твёрдость и очень высокую износостойкость. В результате напыления образуется слой покрытия с высокими эксплуатационными характеристиками, высокой прочностью сцепления и малой пористостью, в большинстве случаев не превышающей 1%. Существенным преимуществом метода является умеренный нагрев обрабатываемой детали – не выше 250⁰С.

Технологические возможности детонационного способа позволяют наносить покрытия на внешние цилиндрические поверхности диаметром до 1000 мм, на внутренние цилиндрические поверхности диаметром более 15 мм и плоские поверхности сложной конфигурации. Наиболее эффективно нанесение детонационных покрытий на детали, работающие в условиях повышенных давлений и температур, износа и агрессивных сред.

Плазменное напыление композиционных порошковых материалов, состоящих из твердой тугоплавкой основы и легкоплавкой связи, получило распространение в различных отраслях техники. Эксплуатационные свойства плазменных покрытий зависят от физико-механических свойств порошковых материалов, температурных и газодинамических параметров плазмы и подготовки поверхности под напыление.

Плазменные покрытия используют для создания износостойких слоёв на рабочих поверхностях деталей, подверженных трению. Состав композиций подбирают, исходя из общей оценки условий работы поверхности, в том числе с учетом возможности отвода теплоты, свойств сопрягаемых материалов трущейся пары, требований к качеству поверхности и точности её начальных размеров и т.п.

Сущность метода состоит в бомбардировке обрабатываемой поверхности (например, упорных центров, оправок к гидрокопировальным станкам, гибочных и раскатных роликов, направляющих оправок к насадному инструменту, борштанг, прессовках оправок и др.) частицами порошка, разогретыми до пластического состояния. Передачу тепловой и кинетической энергий частицами порошка осуществляют плазменным (за счёт введения порошковых материалов в плазменную струю) и газопламенным (с введением порошков в газовую смесь) способами.

Недостатками плазменно-напыленных покрытий являются низкие прочность сцепления с основной, адгезионная прочность и термостойкость покрытия, что связано с различными коэффициентами температурного расширения покрытия и основы. Обладая значительной пористостью, плазменно-напыленные покрытия не защищают поверхность от окисления, что приводит к ускоренному разрушению (отслаиванию) покрытия.

Увеличить адгезионную прочность, термостойкость и стойкость покрытия в окислительных средах можно следующим способом. На металлическую поверхность изделия наносят напылением порошковое покрытие, а затем подвергают эту поверхность азотированию любым из известных способов до образования нитридной прослойки.

Эффективным методом поверхностного упрочнения деталей машин является наплавка материалов с высокими эксплуатационными свойствами. Этот метод экономичен, так как наплавке подвергают только те поверхности, которые работают в условиях интенсивного изнашивания и, как правило, масса наплавленного материала составляет малую долю от массы детали.

Наплавка – это нанесение слоя металла или сплава на поверхность изделия посредством сварки плавлением. Наплавка функциональных покрытий служит для получения на поверхности изделий слоя с необходимыми свойствами. Основной металл обеспечивает необходимую конструкционную прочность. Слой наплавленного металла придаёт особые заданные свойства: износостойкость, жаростойкость, жаропрочность, коррозионную стойкость и т. д. Наибольшее распространение получили различные виды электродуговой наплавки (под флюсом, в среде защитных газов, вибродуговая, самозащитной проволокой) и плазменная. Им уступают по применимости электрошлаковая, индукционная и лазерная наплавки. Перспективными видами являются электромагнитная наплавка и наплавка намораживанием.

Наплавка взрывом (плакирование). На жёсткое основание устанавливают восстанавливаемую деталь. Над ней располагают пластину присадочного металла, поверх которой укладывают заряд гранулированного взрывчатого вещества. Взрыв вызывает удар пластины о поверхность изделия, а в их контакте возникает давление, достигающее тысяч МПа. Металл течёт вдоль восстанавливаемой поверхности, оксидные плёнки при этом разрушаются и образуется прочная металлическая связь. При наплавке взрывом перемешивание основного и присадочного металлов практически отсутствует. Процесс применяют, например, при упрочнении лопастей турбин.