Нанесение упрочняющих и износостойких металлических

Покрытий

8.1 Нанесение электролитических и химических покрытий

Электролититическое нанесение покрытий (рисунок 8.1) (хромирование, осталивание, никелирование, меднение) применяется для получения защитно-декоративных покрытий, а также для восстановления изношенных поверхностей деталей.

Это один из самых старых методов. Он используется в двух вариантах:

1. Получение основного покрытия;

2. Получение подслоя для нанесения основного слоя полимерного или другого покрытия.

Количественно процесс электролиза определяется законами Фарадея, с помощью которых производят расчёт толщины покрытий (или времени нанесения) в зависимости от основных характеристик процесса.

Катодом является обрабатываемая деталь, анодом чаще всего является наносимый металл. Аноды могут быть растворимыми (железо, медь) и нерастворимыми (уголь, свинец, платина).

При ремонте чаще всего используют хромирование и осталивание.

Хромирование является сложным многостадийным процессом. Он включает:

1. шлифование и полирование;

2. обезжиривание (бензином, «венской» известью с последующей промывкой раствором кальцинированной соды);

3. обработка в щелочной ванне (70…100 г. NaOH на 1 л. H₂O при I = 5…10 А/ дм², Т = 65…80^о С);

4) анодное декапирование для уничтожения плёнок окислов, ухудшающих хромирование, непосредственно в ванне перед хромированием меняют полярность электродов и ведут операцию при t = 30 с и I = 35 А/дм², т.е. деталь используют в качестве анода;

5) хромирование.

Хромирование производят в ваннах с электролитом, включающим раствор хромового ангидрита CrO₃ и серной кислотой H₂SO₄ в воде (анод – свинцовая пластина; U = 6…8 В, I ≤ 50 А/дм², материал ванны – свинец или пластмасса).

В зависимости от режимов (рисунок 8.2)(плотности катодного тока I_к и температуры ванны) получают три вида покрытия:

а) молочные – обладают высокой износостойкостью, но малой Н_В;

б) блестящие – хрупкие, но кислотоупорные;

в) матовые (серые) – обладают большой Н_В, но малой износостойкостью.

Блестящие и матовые используют для восстановления неподвижных сопряжений. Но гладкие покрытия Cr (при восстановлении подвижных сопряжений) плохо удерживают смазку на поверхности детали. Для них целесообразно применять пористые хромированные покрытия. Их получают механическим и электролитическим способами.

Для получения механическим способом пористого покрытия, поверхность детали перед хромированием подвергают обработке накаткой (формируется сетка углублений).

Рисунок 8.2 – Зависимость типа покрытия от режимов нанесения

В случае электролитического способа уже полученное покрытие подвергают анодному травлению (таким образом, получают пористую структуру точечного, канальчатого и сетчатого типов).

После хромирования:

1. деталь шлифуют и полируют;

2. пористое покрытие обрабатывают струёй керосина (0,5 – 0,6 МПа).

Достоинства хромированных покрытий:

1. высокие Н_В, износостойкость, антикоррозионная стойкость;

2. сохранение структуры и свойств основного металла;

3. высокая А;

4. универсальность (детали из различных металлов).

Недостатки:

1. небольшая (0,35 мм) толщина покрытий с высокими показателями свойств;

2. низкая (15 – 30 мкм/ч) скорость процесса;

3. большие площади.

Для хромирования крупногабаритных деталей применяют «безванный» способ:

а) в качестве ванны – ёмкость (объём) самой детали;

б) струйное хромирование – анод – свинцовый наконечник струйного распылителя.

Для ванн время хромирования можно определить по формуле

,

где h – заданная толщина слоя, мм;

ρ – плотность металла, г/см³;

С – электрохимический эквивалент

С = Cr – 0.324 [г/А ч];

С = Fe – 1.042 [г/А ч];

С = Ni – 1.095 [г/А ч];

η – К.П.Д ванны, Cr – 0,12; Fe – 0,8…0,95; Cu – 0,95…0,98;

Ni – 0,90…0,95.

Осталивание как восстановление изношенных деталей производят в хлористых, сернокислых и смешанных ваннах.

Наиболее высокие показатели (Н_В, толщина и др.) имеют покрытия, полученные в горячих хлористых ваннах, содержащих хлористые Fe, Na и Mg, а также HCl (Т = 60…80^о С, I_к = 10…50 А/дм²). В качестве растворимого анода – малоуглеродистая сталь. Достоинства:

1. большая (до 3 мм) толщина;

2. производительность выше в 10 раз, чем хромирование.

Недостатки:

1. Н_В и износостойкость значительно ниже, чем хрома. Для повышения износостойкости – цементация с закалкой и отпуском (или хромирование).

Химическое нанесение покрытий

Для восстановления применяют химическое никелирование для получения износостойких покрытий путём восстановления никеля из его хлористых, сернокислых и уксуснокислых солей действием гипофосфата натрия, калия, кальция в присутствии буферных добавок, стабилизирующих работу (растворы уксусной, лимонной и др. кислот).

Они имеют износостойкость близкую хрому, высокую коррозионную стойкость, хорошую прирабатываемость, надёжность при высоких нагрузках. Их используют для восстановления деталей из стали, чугуна и алюминия (при износе до 0,3 мм – т.е. при малых толщинах).

Принцип получения электрохимических (электролитических) полимерных покрытий на токопроводящей подложке состоит в том , что изделие, являющееся одним из электродов (катодом или анодом), опускают в ванну, содержащую раствор или расплав мономера и электролит. При прохождении постоянного электрического тока происходит электохимически инициированная (со) полимеризация или поликонденсация с образованием на поверхности электрода осадка высокомолекулярного соединения.

В некоторых случаях в раствор или расплав вводят дополнительно модификаторы.

8.2 Газопламенное и электротермическое напыление

Напыление (нанесение слоя покрытия) – это поверхностная обработка детали путём нанесения на неё тонкого слоя другого материала. Толщина покрытий может меняться в широких пределах: от сотых долей микрометров до нескольких миллиметров.

Как правило, в результате нанесения покрытия материал детали не меняет своих свойств и структуры (в отличие от методов термической и химико-термической обработки и др.). Методы нанесения покрытия можно классифицировать по нескольким основным признакам:

1. По назначению покрытия разделяют на триботехнические (антифрикционные и фрикционные, антикоррозионные (коррозионностойкие), защитно-декоративные, а также специального назначения (жаростойкие, антиадгезионные (антизадирные), адгезионноспособные и др.);

2. По природе материала покрытия, их разделяют на металлические, неметаллические, и полимерные;

3. По исходному агрегатному состоянию материала покрытия различают покрытия, формируемые:

а) из газовой фазы;

б) из жидкой фазы (расплав, раствор, паста, суспензия);

в) из твёрдой фазы (плёнки, листы, отдельные частицы (керамика)).

(По этому признаку все методы получения покрытий разделяют ещё и толщине покрытий);

4. По методу переноса и закрепления материала на поверхности детали:

а) с помощью транспортирующего газа;

б) с помощью электрического поля;

в) с помощью химического или физического (смачивание) взаимодействия.

5) По температуре предварительного нагрева детали:

а) Т_дет > Т_пл, (Т_пл – температура плавления материала покрытия);

б) Т_{фаз. превр} < Т_дет < Т_пл;

в) Т_дет < Т_{фаз. превр};

г) Т_дет ≈ Т_{окр. среды}.

Во многом температура предварительного нагрева влияет на адгезионную прочность покрытий и, как следствие, на их долговечность.

В общем случае технологический процесс включает следующие основные операции:

1. подготовку обрабатываемой поверхности детали (включая локальную защиту поверхностей от покрытия);

2. нанесение покрытия на поверхность детали;

3. термообработку полученной системы деталь – покрытие;

4. механическую обработку покрытия.

Преимущества напыления:

1. Возможность нанесения покрытий на изделия не только из металла, но и неорганических (стекла, фарфора и др.) и органических (полимеры, дерево, ткань, бумагу, картон) материалов;

2. Возможность напыления различных материалов с помощью одного и того же оборудования;

3. Отсутствие ограничений по размеру обрабатываемых изделий по сравнению с электролитическим осаждением, погружением в расплав или диффузионным насыщением (азотированием, цементацией и др.);

4. Возможность нанесения слоёв толщиной в несколько миллиметров за короткое время (сравнение с электролитическим хромированием для повышения износостойкости – 6…300 мкм);

5. Относительная простота технологического оборудования;

6. Небольшая деформация изделий под влиянием напыления.

Недостатки напыления:

1. малая эффективность при нанесении на мелкие детали;

2. вредные выделения – необходимость системы очистки воздуха.

Напыление осуществляют основными группами материалов: металлами, сплавами и композиционными материалами на их основе; керамическими материалами; полимерами и композициями на их основе, т.е. материалами в твёрдом виде, не испаряющимися и не изменяющими значительно своих свойств.

Напыляемые металлические материалы применяют в виде прутков, проволоки и порошков. Проволоку и прутки используют при газовом, дуговом и электроимпульсном напылении, а порошки – при плазменном, детонационном, газопламенном и другом напылении.

Проволока дает возможность непрерывной и равномерной подачи материала в высокотемпературную зону горелки.

В основном используют следующие проволочные материалы:

1. Алюминий – защита от коррозии, стойкость к окислению;

2. Цинк – защита от коррозии;

3. Молибден – повышение жаростойкости (стойкости к HCl);

4. Олово и его сплавы – повышение коррозионной стойкости, износостойкости (во вкладышах подшипников – баббитовые (Sn – Pb) покрытия);

5. Медь и его сплавы:

а) Медь – для электропроводных и декоративных покрытий;

б) Бронза (аллюминистая) – для повышения коррозионной стойкости;

в) Бронза (фосфористая) – для повышения износостойкости;

г) Бронза (свинцовистая) – для обеспечения стойкости к схватыванию при больших нагрузках;

6) Никель и его сплавы:

а) Никель – для защиты от эрозии и коррозии;

б) Нихром (Ni – Cr) – для повышения термостойкости и коррозионной стойкости;

7. Стали:

а) Углеродистая и низколегированная – для повышения износостойкости;

б) Высоколегированная (Fe – Cr – Ni) – для обеспечения коррозионной стойкости;

8. Серебро – для обеспечения контактной проводимости.

Порошковые материалы

Некоторые твёрдые и хрупкие металлы и сплавы, а также химические соединения, из которых обычными способами невозможно изготовить проволоку, применяют в виде порошков. Практически любой напыляемый материал можно перевести в порошкообразное состояние.

Металлы и его сплавы:

1. Алюминий и его сплавы;

2. Цинк и его сплавы;

3. Медь и его сплавы;

4. Молибден;

5. Вольфрам;

6. Олово и его сплавы;

7. Стали;

8.2.1 Газопламенное напыление

Газопламенное напыление покрытий (рисунок 8.3) осуществляют за счёт теплоты, образующейся при сгорании горючих газов в среде кислорода, то есть источником энергии является пламя (отсюда и название – газопламенное).

Газопламенное напыление классифицируют по ряду основных признаков:

1. По типу горючего газа различают газопламенное напыление в среде ацетилена, пропан-бутана, природного газа (в основном применяют ацетилен с температурой горения Т = 3100…3200^о С, а остальные газы применяют реже, так как у них температура горения ниже на 500…800^о С, чем у ацетилена)(рабочая смесь: кислород – горючий газ в соотношении 1:1);

2. По виду напыляемого материала различают газопламенное напыление проволокой, прутком и порошком;

3. По способу транспортирования порошка в зону пламени газопламенное напыление разделяют на два способа:

а) с подводом порошка в центральный канал горелки;

б) с подводом порошка в зону пламени с внешней стороны сопла;

4) По способу термической обработки различают газопламенное напыление с оплавлением напыленного слоя и без него.

Технологический процесс с оплавлением при Т_дет ≤ 250^о С:

1. Нагрев детали до 250…300^о С;

2. Нанесение подслоя;

3. Нанесение основного слоя;

4. Контроль за температурой подложки.

Технологический процесс без оплавления:

1. Подогрев детали до 50…100^о С;

2. Нанесение подслоя (0,05 – 0,15 мм для защиты окисления);

3. Нанесение основного (износостойкого) слоя толщиной до 2мм;

4. Контроль за температурой подложки (не более 250^о С – с помощью термочувствительных карандашей).

Как уже отмечалось, напыление осуществляют в основном порошком или проволокой.

Для порошков с внутренней подачей порошка разработаны и используются несколько установок: установки УПН – 8, УПН – 68 и УГПТ (Барнаульский аппаратурно-механический завод), установки УПТР – 83, УПТР – 86 (Белорусский научно-производственный комплекс порошковой металлургии).

Для проволочных и стержневых материалов (патенты Шоона 1909 – 1921 г.г.) также разработаны установки: серия МГИ – 1 – 57, МГИ – 3, МГИ – 4, МГИ – 5.

8.2.2 Способы электротермического напыления

Их разделяют на дуговой, пламенный, электроимпульсный и высокочастотный. Для нанесения покрытий в основном применяют электрический дуговой разряд двух видов:

1. столб дуги имеет минимальные размеры, так как электроды постоянно сближаются (по мере их расхода). Этот вид дуги используют при дуговой металлизации;

2. столб дуги имеет большое межэлектродное расстояние. Этот вид используют в плазменном напылении.

Дуговая металлизация

Сущность дуговой металлизации (рисунок 8.4) состоит в том, что в зону дуги непрерывно подают две изолированные, находящиеся под напряжением проволоки 3, при соприкосновении которых возникает электрическая дуга. Расплавленный в ней электродный металл распыляется струёй сжатого (0,4 – 0,6 МПа) газа (воздуха или азота) 6 и осаждается на поверхности детали. Для дуговой металлизации используют ручные (типа ЭМ – 14, ЭМ – 14М) и станочные (ЭМ – 12, ЭМ – 15), а также установку УДМ – 2, в которую входят два металлизатора ЭМ – 14М.

Ручной дуговой металлизатор (рисунок 8.5) выполнен в виде пистолета. В алюминиевом корпусе смонтирован роликовый проволокопротягивающий механизм, который приводится в действие электродвигателем или воздушной турбинкой.

М асса ручного пистолета 2,5 кг

Масса станочного ≈ 20 кг

Сила тока 750 А

Напряжение ≤ 40 В

Температура в зоне дуги до 6000^о С

Как отмечалось, в качестве материала покрытий используют сплавы черных и цветных металлов. К ним относятся электродные сварочные и износостойкие наплавочные проволоки и др.

Напыление производят в два этапа:

1. наносят подслой, защищающий основной металл от окисления;

2. наносят требуемый сплав.

Достоинства дуговой металлизации:

1. Производительность 3…20 кг/ч;

2. Простота и универсальность (нанесение на детали любой формы);

3. Толщина в широких пределах: от 0,1 до 10 мм;

4. Сохранение структуры и свойств основного металла (Т_нагр < 100^о С).

Недостатки:

1. перегрев и окисление напыляемого металла;

2. выгорание части легирующих добавок, что компенсируется их увеличенным содержанием.

Плазменное напыление

Сущность плазменного напыления (рисунок 8.6) в плазматроне, включающем катодный электрод и, как правило, медный охлаждаемый анод – сопло, возникает электрическая дуга, нагревающая плазмообразующий газ (аргон, азот, реже с добавлением водорода) до 10000 – 30000^о К. В нее вводят напыляемый материал, который осаждается на детали.

В комплект оборудования для плазменного напыления входят следующие узлы: плазматрон, механизм транспортирования порошковых или проволочных материалов, пульт управления (с измерительными, регулировочными и блокировочными устройствами), источник питания дуги, источник и приемник охлаждающей воды, коммуникации, обеспечивающие подвод газа, электроэнергии и воды.

Для плазменного напыления используют самое разнообразное оборудование. В том числе плазменные установки типа УПУ (УПУ – 3М, УПУ – 3Д, УПУ – 5) для напыления порошковых и проволочных материалов, УПМ (УПМ – 5, УПМ – 6) только для порошковых материалов.

Технология плазменного напыления включает те же стадии, что и плазменная наплавка, которая подробно рассмотрена ранее в соответствующем разделе.

Таблица 8.1 – Ориентировочная производительность различных способов

наплавки

Продолжение таблицы 8.1

Таблица 8.2 – Технико-экономические показатели методов нанесения покрытий