Технологія поверхневого зміцнення деталей з відновленням геометричних розмірів газотермічним напиленням

1. Загальні відомості про отримання покриттів газотермічним напиленням

Газотермічним напиленням (ГТН) називають процес нанесення покриттів шляхом нагрівання матеріалу до рідкого стану і розпилення його на виріб-підкладку за допомогою газового струменя.

Покриття наноситься без суттєвого підвищення температури підкладки, що виключає появу деформації напилених деталей.

Розрізняють такі види ГТН:

• газополуменеве;

• газоелектричне, яке в свою чергу поділяється на електродугове, високочастотне і плазмове.

Особливий інтерес викликають покриття, отримані високотемпературним або плазмовим напиленням. Висока продуктивність, простота технології нанесення покриття дозволяють використовувати його в багатьох галузях техніки і наносити покриття на деталі різних розмірів, навіть на корпуси танкерів.

Плазмове напилення являє собою подальший етап розвитку техніки металізації розпиленням.

При плазмово-дуговому нанесенні покриттів плавлення вихідного матеріалу здійснюється в плазмовому струмені, температура якого складає 5000-55000 К. Дуговий плазмовий струмінь отримують вдуванням плазмотворного газу в електричну дугу, що утворюється між двома електродами.

Плазмовий струмінь являє собою потік речовин, що складаються з електронів, іонів і нейтральних атомів плазмотворного газу. В якості плазмотворних газів використовують аргон, азот, водень, аміак, водяну пару, а також їх суміші.

Частки вихідного матеріалу, потрапляючи в плазмовий струмінь, розплавляються і переносяться на поверхню оброблюваної деталі.

Головним критерієм застосовування матеріалу в якості покриття є можливість переводу його часток в розплавлений або високопластичний стан і наступна деформація їх при зустрічі з підкладкою. Високі температури в поєднанні з можливістю широкого регулювання складу струменя (інертний, відновлювальний, окислюваний) і швидкості його витікання створюють велике розмаїття матеріалів, що напилюються газотермічними методами – від самих тугоплавких металів, оксидів, карбідів до пластичних мас.

Малий термічний вплив на напилювану основу (десь 80-150^оС) дозволяє виключити небажані структурні перетворення, уникнути деформації виробу, створює можливість нанесення покриття на основу з найрізноманітніших матеріалів (металів, кераміки, бетону, дерева, картону та ін.).

Такі переваги обумовлюють високу універсальність газотермічного напилення, яка дозволяє наносити покриття з широким спектром службового призначення – зносостійких, корозієстійких, теплозахисних, електроізоляційних та інших, а також для відновлення розмірів зношених деталей.

Плазмове напилення здійснюють розплавлюючи дріт, стержні або подаючи порошок (див. рис. 1).

Рис. 1. Схеми плазмового напилення:

а) подача напилюваного матеріалу в плазмовий струмінь через сопло;

б) те ж за сопловою ділянкою;

в) плазмова металізація дротом залежною дугою: 1 – вхід газу; 2 – вхід води; 3 – електродний дріт; 4 – подача порошку.

Плазмою називають газ повністю або частково іонізований під впливом тих або інших факторів. Такими факторами можуть бути: температура, детонація, електричний або високочастотний розряд, фотоіонізація, γ-випромінювання.

Характеристика плазми значною мірою обумовлюється вибором плазмотворного газу. Термічні параметри дугових плазмених струменів для різних газів наведені в табл. 1.

Таблиця 1

Термічні параметри плазмових струменів

Вид газу	Потужність на плазмо-троні, кВт	Напруга на дузі, В	Температура плазми, оК	Ентальпія плазми, кДж/г	Ефективність нагрівання газового струму, %
Азот (N2) ГОСТ 9293-74	60	65	7473	46,33	60
Водень (Н2) ГОСТ 3022-80	62	120	5273	323,90	80
Гелій (Не) ТУ-51-689-75	50	47	20273	237,80	48
Аргон (Ar) ГОСТ 10157-79	48	48	14273	21,73	40

Плазма дво- і багатоатомних газів містить більшу кількість тепла при більш низьких температурах. Тому для робіт, пов'язаних з теплопередачею, коли не потрібні температури більше 10000 К, доцільніше використати двоатомні гази. Для отримання ж високих температур необхідно використовувати одноатомні гази.

Матеріали для напилення виготовляють у вигляді порошку або дроту.

Переваги напилення порошкоподібними матеріалами в порівнянні з дротовими такі: більш однорідна (без подальшої обробки) і дрібна структура покриття; можливість отримання комбінованих покриттів і так званих псевдосплавів змішуванням порошків з різних матеріалів; низька вартість.

Для плазмового напилення використовуються порошки сферичної форми грануляцій 5-100 мкм (табл. 2) або із додатку 4.

Таблиця 2

Самофлюсуючі порошки системи Ni-Cr-B-Si

Параметр	ПГ-СР-2	ПГ-СР-3	ПГ-СР-4	СНГН	ВСНГН
1	2	3	4	5	6
Хімічний склад *, %
C	0,3-0,6	0,4-0,8	6-1	1,5-1

	0,3-0,6
Cr	12-18	12-16	13-17	14-18	10,5-12,5
B	1,5-2,5	2-3	2,5-4	3-5	2,6-3,1
Si	1,5-3	2,5-4,5	3-5	3,5-4,5	2,3-3
Mn	-	-	-	-	до 3
Fe	-	5	-	1-3	2
W	-	-	-	-	33-37
* нікель – основа
Щільність 1·103, г/м3	6-8			7,8-8,2	8,7
Температура плавлення, оС	1050-1080			1020-1100	-
Твердість, HRC	45-48	48-55	48-62	50-58	60-63
Зносостійкість по відношенню до сталі 45	3-4,5			3,5-4,6	-
Температурний коефіцієнт, 1/оС	14,5			14,5-15,3	-

Обладнання для плазменого напилення складається із плазмотрону, живильника (дозатора) та установки для плазменого напилення.

Плазмотрон – це пристрій, в якому електрична дуга розігріває газ до температури іонізації, а також розігріває порошок до температури плавлення і надає йому необхідну швидкість переміщення.

За способом стабілізації дуги вони поділяються на три групи:

• аксіальної;

• тангенціальної;

• комбінованої (рис. 2).

Найбільше стиснення дуги досягається вихровою (тангенціальною) стабілізацією.

Аксіальна система стабілізації забезпечує ламінарний плазмений потік і задовільне формування стовпа плазменої дуги в каналі електропровідного сопла.

Рис. 2. Способи стабілізації дуги в плазмотронах:

а) аксіальним (поздовжнім) газовим потоком;

б) тангенціальним газовим потоком;

в) електромагнітним полем (комбінована стабілізація).

Живильники – це пристрої, що забезпечують подачу порошкоподібної суміші в плазмовий струмінь плазмотрона.

Дозатор и відрізняються від живильників тим, що мають дозуючий пристрій, здатний в одиницю часу подавати відповідну кількість порошку.

Як дозуючий пристрій використовують інжектори, штоки, лотки, тарілки. Схеми дозуючих пристроїв наведені на рис. 3.

Рис. 3. Схеми дозуючих пристроїв типів: а)інжекторного; б) штокового; в) вертикально-барабанного; г) шнекового; д) тарілчастого; є) горизонтально-барабанного.

Дозування живильниками типу а і б (рис. 3) нерівномірне з великими похибками, але їх можна застосовувати при транспортуванні порошків крупністю менше 50 мкм. Якщо порошок має розміри більше 50 мкм, можна використовувати дозатор шнекового, тарілчастого або барабанного типу (рис.3, в, г, д, е). Однак, при дозуванні твердих порошків при формуванні зносостійких покриттів спостерігається посилене зношування робочої частини (шнека, барабана). При цьому менше зношується дозатор тарілчастого типу.

Установки для плазмового напилення, що виготовляються серійно, можна поділити умовно на три типи: УПУ, УМП і "Київ". Останні моделі УПУ-3М, УПУ-3Д, УПУ-8, УМП-6, Київ-7 мають більш досконалу конструкцію в порівнянні з тими, що випускались раніше. Наприклад, УПУ-8 має тиристорне джерело живлення, автономний блок охолодження водою, два дозатори і більш потужні плазмотрони.

Київ-7 укомплектовано пальником, який може працювати на повітрі або суміші газів (повітря + пропан-бутанові горючі гази), має також два дозатори з програмним управлінням.

Технічні характеристики плазмових установок для напилення подані в додатку 1.

Принципова газоелектрична схема установки для напилення показана на рис. 4.

Рис. 4. Газоелектрична схема установки для плазмового напилення покриттів.

2. Технологія плазмового напилення

Технологія плазмового напилення включає серію послідовних операцій: підготовку порошків і напилюваної поверхні, напилення покриття, обробку покриття і контроль якості.

Підготовка порошків полягає в розсіюванні їх на фракції, відокремлюючи потрібні для напилювання фракції. Для підвищення сипучості порошків перед напиленням їх піддають висушуванню при температурі від 70 до 200^оС в залежності від складу порошку. При напиленні механічної суміші з декількох порошків їх попередньо змішують в змішувальних барабанах. Висушені порошки необхідно використати протягом 2-3 годин.

Підготовка деталей під напилення. Характером підготовки поверхні деталі визначається якість покриття. Чим якісніше підготовлена поверхня під напилення, тим краще отримане покриття.

Підготовка поверхні деталей під напилення здійснюється знежиренням, травленням, піскоструминною обробкою, термічною обробкою (підігріванням), механічною обробкою.

Знежирення здійснюють розчинниками для видалення мастил та бруду з поверхні деталі.

Травленням можна створити шорстку поверхню, яка забезпечить гарне зчеплення з напилюваним матеріалом.

Піскоструминною обробкою очищають поверхню підкладки і надають їй шорсткості, що збільшує контактну поверхню, а часткове розплавлення напилених часток порошку на виступах мікронерівностей збільшує кінцеву міцність покриття.

Термічна обробка (підігрівання) забезпечує активацію поверхні підкладки і видалення з поверхні вологи.

Механічна обробка призначена для створення шорсткої поверхні підкладки методом різання різцями або шліфуванням, а також для позбавлення від дефектів зношення (овальність, конусність, хвилястість).

2.1. Плазмове нанесення покриттів

Технологія плазмового напилення здійснюється таким чином.

Обирають режим роботи плазмової установки, який визначається розрахунками або за табличним рекомендаціями (див. додаток 2).

До режимів роботи належать: сила струму, напруга на дузі, вибір роду плазмотворного газу або суміші газів, витрати відповідних газів, розмір часток порошку і дистанція напилення.

Необхідну товщину покриття отримують за один або декілька проходів плазмотрону. Швидкість переміщення плазмотрона призначають так, щоб отримати за один прохід товщину покриття не менше 100-200мкм. При отриманні покриття за кілька проходів напилення слід вести у взаємо перпендикулярних напрямках.

Для отримання рівномірної товщини покриття на кромках деталей необхідно забезпечити вихід струменя за край деталей на відстань не менше половини кроку напилення.

Напилення спочатку робити на кромки виробу, а потім на іншу частину.

При напиленні рекомендується забезпечити заповнення не тільки виточки, підготовленої під покриття, але і ділянок, що граничать рядом з нею.

Рис. 5. Рекомендована форма напиленого покриття з суміжними поверхнями: а – циліндрична поверхня; б – плоска поверхня.

Під час напилення деталь не повинна нагріватись до температури вище 100^оС.

При необхідності оплавлення самофлюсуючих покриттів з метою підвищення міцності характеристик або зниження пористості застосовують оплавлення газовим плазмотроном, в печі, струмами високої частоти або в сольових розплавах (див. додаток 3).

2.2. Обробка плазмових покриттів

Нерідко поверхні з газотермічними покриттями безпосередньо після напилення не мають необхідні параметри, наприклад, точність розмірів, шорсткість, щільність структури і т. ін.

В зв’язку з цим їх піддають додатковій обробці: різанням (точінням, шліфуванням)або оплавленням.

Точінням зазвичай оброблюють газотермічні покриття із металів.

При точінні краще за все використовувати різці з твердих сплавів типу ВК6, ВК-8, Ельбор-Р, ПТНБ. Режими різання при точінні вибирають згідно додатка 4.

Шліфування також використовують при обробці газотермічних покриттів. При вірно вибраному режимові шліфування напруги, що виникають в покритті, підкладці і на границях їх зіткнення, значно менші, ніж при інших способах обробки.

Для підвищення якості обробленої поверхні шліфуванням вибирають шліфувальні круги із нормального електрокорунду (13А, 15А) зернистістю 36-46 з керамічною зв’язкою "К" середньої м’якості "СМ". Рекомендовані режими різання: швидкість круга V_к=25-30мс^-1, швидкість обертання деталі

V_дет=10-20м/хв.; глибина різання t=0,015-0,03 мм, подача S=5-10 мм/об; охолоджуюча рідина – емульсія.

Покриття із нікелевих самофлюсуючих сплавів твердість HRC 58-64 більш доцільно обробляти алмазними кругами типу М016, М013, МВ1 з алмазами типу АСКМ, АСК, АСВ. Режим обробки: V_к=35-50 м/с; V_дет=25-30 м/хв.; S=1 м/хв; t=0,8-1,5 мм, зменшуючи подачу на останніх проходах при достатньому охолодженні змазувально-охолоджувальною рідиною.

Оплавлення самофлюсуючих нікелевих сплавів системи NiВSiCr здійснюють при температурах, що відповідають діапазону кристалізації сплавів цієї системи. При нагріванні таких покриттів до температур 950-1100^оС відбувається їх оплавлення, бор і кремній частково переходять в В₂О₅ і SіО₂. Утворюванні в покритті оксиди металів розчиняються з утворенням склоподібних шлаків, які спливають на поверхню покриття. Оброблені таким способом покриття характеризуються високою твердістю і міцністю щеплення.

Оплавлення деталей великої маси доцільно здійснювати комбінованим методом: попереднім нагрівання до 800-1000^оК високо енергетичним джерелом (електропіч, струми високої частоти, сольовий розплав), потім остаточне оплавлення ацетиленокисневим пальником.

2.3. Контроль якості

Розрізнюють якісні і кількісні методи вимірювання міцності зчеплення газотермічних покриттів.

Кількісні методи вимірювання в порівнянні з якісними мають перевагу, оскільки вимірюють абсолютні величини. Але складність отримання цих величин обмежують їх застосування.

Існують неруйнівні і руйнівні методи контролю. До неруйнівних належить контроль зовнішнього вигляду, вимірювання товщини і шорсткості поверхні покриття, визначення зносостійкості методом шкрябання, пористості покриття і т. ін.

Зовнішній вигляд покриття контролюється візуально або за допомогою десятикратної лупи типу ЛИ-3 або ЛИ-4 за ГОСТ-8309-75, при цьому виявляють наявність або відсутність тріщин, зколів, відшарувань.

Контрольтовщини покриття здійснюється за різницею поперечних вимірювань деталей з покриттям і без нього, а також прямим визначенням за допомогою товщиномірів різних типів: ИТП-1, ИТП-5, В-166 (магнітних товщиномірів), або ТПО, ТПО-1, ИТП-200 (індукційні товщиноміри).

Шорсткість покриття визначається шляхом порівняння з еталоном або за допомогою приладів: профілографа, профілометра, подвійного мікроскопа Лінника.

Зносостійкість покриттів оцінюють склерометричним методом (або випробуванням шкрябанням при змінному навантаженні). Показником зносостійкості є найбільше граничне навантаження, що не викликає пошкрябин, які виявляють на поверхні візуально.

Пористість визначають за методикою гідростатичного зважування (ГОСТ 18893-73).

2.4. Правила техніки безпеки при проведенні газотермічного напилення

Газотермічне напилення пов’язане з високими температурами, великою загазованістю місця оператора, високою електричною напругою і високим тиском плазмотворних газів. Тому дотримання правил техніки безпеки при ГТН є обов’язковим елементом технології.

Високі температури плазмової дуги або плазмового струменю можуть викликати опіки відкритих частин тіла і очей оператора.

Оператор повинен працювати, користуючись нарукавниками, а для шиї і грудей – нагрудниками з м’якого вогнестійкого матеріалу.

Для захисту очей використовуються захисні щитки за ГОСТ 12.4035-78 з світлофільтрами (ГОСТ 9411-81Е).

Високі температури можуть спричинити пожежу, тому ділянка для напилення повинна розташовуватись в спеціальних вогнебезпечних приміщеннях.

Висока загазованість плазмотворними газами і продуктами їх розпаду і великою кількістю пірозольного пилу. Тому при ГТН оператор повинен користуватися засобами індивідуального захисту – респіраторами або масками з подачею чистого повітря безпосередньо в зону дихання.

Швидкість руху повітря біля джерел виділення шкідливих речовин повинна бути більша 1,3 м/с.

Висока електрична напруга обумовлюється необхідністю отримання плазми і лежить в межах 90-180 В. Для захисту від ураження електричним струмом корпуси установок і джерел струму необхідно заземлити. На робочому місці треба мати електроізоляційні коврики, а плазмотрон при можливості не тримати в руках, а процес напилення здійснювати механізовано.

Плазмотворні гази (азот, аргон, гелій і т.ін.) поставляються замовнику під тиском 15 МПа в стальних балонах стандартного типу. При неправильному користуванні балонами може бути загроза їх вибуху. Тому треба дотримуватись таких правил:

• забороняється користування балонами, строк обстеження яких пройшов;

• встановлювати балон в вертикальному положенні не ближче п’яти метрів від джерел відкритого вогню;

• не переносити балон одному, без підручного;

• по закінченню робіт вентиль на балоні обов’язково треба закрити.

Література

1. Справочник сварщика / Под редакцией В.В.Степанова – М.: Машиностроение. 1982.

2. Порошковая металлургия и напыление покрытия: Учебник для втузов. В.Н.Анциферов, Г.В.Бобров, Л.К.Дружини. М.: Металлургия. 1987.

3. В.І.Харченко, Ф.Ф.Ваткевич. Зварювальні роботи у будівництві. К.: НМК ВО, 1991.

4. В.И.Большаков, А.Н.Лукьянскова, В.И.Харченко, Ф.Ф.Вашкевич. Металловедение и сварка строительных сталей – К.: УМК ВО, 1989.

5. Ю.С.Борисов, Ю.А.Харламов и др. Газотермические покрытия из порошковых материалов. Справочник. К.: Наукова думка. 1987.