Вы здесь

Наплавка и газотермическое напыление (напыление с оплавлением)

Наплавка

При длительной эксплуатации машин изнашивание деталей сопровождается снижением эксплуатационных показателей, что, в частности, вызывает ухудшение качества поверхности изделий. Изнашивание рабочих поверхностей деталей нередко требует их полной замены. Это повышает себестоимость производства из-за больших амортизационных отчислений.
В ряде случаев изготовление деталей целиком из износостойкой легированной стали нерационально в связи с трудностью обработки и высокой стоимостью стали. Поэтому для решения задач повышения эксплуатационных показателей и увеличения срока службы деталей машин используют различные способы поверхностного упрочнения, в частности наплавку, нашедшую широкое применение в производстве разнообразных деталей и изделий:

  • крупногабаритных сосудов высокого давления атомных реакторов;
  • установок для десульфурации мазута с повышенной коррозионной стойкостью поверхности;
  • валков прокатных станов в металлургии (для упрочнения);
  • мелких деталей типа выхлопных гнезд и клапанов двигателей внутреннего сгорания с повышенной жаропрочностью и износостойкостью.

Плакирование от процессов нанесения слоев наплавкой отличается, прежде всего, отсутствием разбавления основным металлом рабочего слоя. Независимо от способов соединения рабочего слоя с основным металлом в основе плакирования всегда лежит применение способов сварки давлением или ее разновидностей. Покрытие поверхности изделия наплавкой допускает смешивание наплавляемого металла с основным. Масса наплавленного слоя обычно не превышает нескольких процентов от общей массы заготовки. При затвердевании расплавленного металла рост кристаллитов в наплавленном слое происходит на базе частично оплавленных зерен основного металла.

Сущность процесса наплавки заключается в получении поверхностных слоев путем нанесением расплавленного присадочного материала на поверхность изделия.
Основное назначение наплавки состоит в восстановлении изношенных (поврежденных) участков изделия или получении функциональных покрытий.
Восстановительная наплавка применяется для получения первоначальных размеров изношенных или поврежденных деталей. В этом случае наплавляемый металл близок по составу и механическим свойствам к основному металлу.

Наплавка функциональных покрытий служит для получения на поверхности изделий слоя с необходимыми свойствами. Основной металл обеспечивает необходимую конструкционную прочность. Слой наплавленного металла придает особые заданные свойства: износостойкость, жаростойкость, жаропрочность, коррозионную стойкость и т. п. (рис. 2).

А Б

Рис. 2. Наплавка цилиндрической поверхности: а – возможные направления наплавленных слоев; б – роботизированная наплавка
 

Требования, предъявляемые к наплавке:

  • минимальное проплавление основного металла;
  • минимальное перемешивание наплавленного слоя с основным металлом;
  • минимальное значение остаточных напряжений и деформаций металла в зоне наплавки;
  • небольшие припуски на последующую обработку деталей.

Основными способами наплавки являются:

  • электродуговая,
  • плазменная,
  • электрошлаковая,
  • индукционная.

Ручную дуговую наплавку различными способами применяют при восстановлении изношенных поверхностей деталей, устранении брака в изделиях, полученных методом литья, для наплавки поверхностей со специальными свойствами. При установившемся процессе наплавки плавление электрода под действием теплоты дуги происходит равномерно. Однако не вся мощность дуги расходуется на плавление металла. Часть ее теряется на излучение, плавление покрытия и т. п. Не весь расплавленный металл наплавляется, так как существуют потери на его угар и разбрызгивание. Общие потери при наплавке покрытыми методом сварки электродами с учетом потерь на угар, разбрызгивание и огарки составляют до 30 % (рис. 3).

Рис. 3. Схема ручной дуговой наплавки покрытым электродом; I – наплавочный электрод; II – изделие

При дуговой наплавке под флюсом сварочная дуга между голым электродом и изделием горит под слоем сухого гранулированного флюса (рис. 4), одновременно плавится наплавочная проволока, основной металл и флюс. Металл наплавленного валика, полученного под флюсом, состоит из расплавленного присадочного металла и переплавленного основного.

Рис. 4 Автоматическая наплавка под флюсом – восстановление вала

Использование флюса обеспечивает уменьшение разбрызгивания и угара металла. Для уменьшения проплавления основного металла используют многоэлектродную наплавку или ведут процесс с колебанием электрода поперек шва.

К разновидностям дуговой наплавки относятся:

  • наплавка лентой,
  • наплавка с поперечными колебаниями электрода,
  • многоэлектродная и многодуговая наплавка.

Для этого могут применяться порошковые проволоки и порошковые ленты. Применение наплавки с поперечными колебаниями электрода способствует получению меньшей доли основного металла в наплавленном, увеличению ширины и уменьшению длины ванны.

Многоэлектродная наплавка осуществляется несколькими электродами, расположенными в линию, перпендикулярно направлению движения.
Общим недостатком дуговых методов наплавки является большая глубина проплавления. При однослойной наплавке доля основного металла в наплавленном может составлять до 60 %.

Наплавка ленточным электродом обеспечивает минимальную глубину проплавления основного металла и, как результат, минимальный коэффициент смешивания основного металла с наплавленным. Используют электродные ленты шириной от 15 до 100 мм. Минимальное проплавление основного металла объясняется тем, что дуга постоянно перемещается по торцу ленты, что изменяет в каждый момент времени место тепловложения в основной металл.

Электрошлаковый процесс позволяет получать покрытия необходимой толщины за один проход. В зависимости от формы поверхности заготовки используют кристаллизаторы различных форм для получения наплавленного слоя соответствующего профиля. Традиционные схемы электрошлаковой наплавки обеспечивают толщину наплавленного слоя не менее 15–20 мм. Формирующее устройство, как правило, конструируется индивидуально для каждой серии однотипных деталей.

Плазменная наплавка относится к прецизионным процессам, так как позволяет наплавить слой заданной толщины от 0,5 до 5 мм как на всю деталь, так и на определенный участок с лимитированной долей основного металла (5–10 %). Используются несколько разновидностей наплавки плазменной дугой.

Столб плазмы образуется за счет тепла дугового разряда, стабилизированного и сфокусированного потоком плазмообразующего газа с помощью плазмотрона. При плазменно-порошковой наплавке гранулированный порошок (80–160 мкм) определенного химического состава транспортируется газом в дугу по специальным каналам плазмотрона и расплавляется или нагревается до температур, близких к температуре плавления, в столбе плазмы.

Применяются другие способы плазменной наплавки, когда порошок предварительно насыпается на изделие и затем расплавляется плазменной дугой прямого действия. Иногда используют одну или две проволоки, последовательно подключенные к источнику питания переменного тока, которые нагреваются за счет электрического сопротивления и подаются с постоянной скоростью в сварочную ванну под плазмотроном, где происходит их быстрое расплавление. При поперечных колебаниях плазмотрона получают валик шириной до 64 мм.

Используют и другие способы нанесения слоев наплавкой, в том числе с применением высокоэнергетических источников нагрева, например лазерных.
Сущность газопорошковой лазерной наплавки заключается в получении поверхностных покрытий принудительной подачей порошка газовым потоком непосредственно в зону лазерного излучения. Частицы порошка начинают нагреваться в зоне лазерного излучения вплоть до попадания на обрабатываемую поверхность. Частицы порошка, как правило, расплавляются только на обрабатываемой поверхности.

Особенностью процесса лазерной наплавки является возможность регулирования времени существования жидкой фазы в минимальных пределах и обеспечение высоких скоростей охлаждения металла наплавки, вследствие чего покрытия лазерной наплавкой отличаются от полученных другими методами существенным повышением твердости.

Индукционная наплавка, широко применяемая в современной промышленности для восстановления изношенных деталей, имеет отличительную особенность перед другими методами. Расплавление основного и наплавляемого металлов при индукционной наплавке происходит за счет теплового действия индуктируемого тока. В качестве наплавляемого материала применяют или самофлюсующиеся порошки, в состав которых введен бор (НХ15СР2, Н77Х17С4Р4), или наплавочную шихту, состоящую из требуемого металлического порошка (табл. 1) в количестве около 70–80 % и флюса 20–30 %. Введение флюса необходимо для защиты металлического порошка при нагреве и расплавленного металла от окисления, а также для удаления примесей в шлак. Размер частиц металлического порошка может иметь широкий гранулометрический диапазон и составляет от 0,1 до 1 мм.

Материалы, применяемые для наплавочных работ, можно разделить на следующие группы:

  • сплавы на основе железа (стали, высокохромистые чугуны и др.);
  • сплавы на основе никеля и кобальта;
  • сплавы на основе меди;
  • карбидные сплавы (с карбидом вольфрама или хрома) и др.

Применение наплавочных материалов зависит от условий эксплуатации, вида нагружения и их стоимости.

Стеллиты различных марок обладают высокой жаропрочностью, хорошим сопротивлением абразивному износу, коррозии и эрозии, но дороги.

Нихард используют для изготовления литых деталей, работающих при абразивном изнашивании в интервале низких и средних температур. Он чувствителен к ударам, резким колебаниям температуры и требует термической обработки.

Псевдосплавы из не дефицитных материалов позволяют получить поверхностные слои без дефектов с повышенным сроком службы в условиях абразивного износа, однако не эксплуатируются при ударных нагрузках.

Сормайт обладает более низким коэффициентом износостойкости, по сравнению с псевдосплавами, однако имеет некоторую устойчивость к ударным нагрузкам.

Предварительное спекание наплавляемого материала флюсовой частью шихты исключает притягивание ферромагнитных составляющих наплавляемой шихты к индуктору при включении его на нагрев, а в случае применения парамагнитных порошков предварительное спекание или брикетирование не обязательно.

Для нагрева над изделием размещают индуктор, представляющий собой один или несколько витков медной трубки или шины (рис. 5). По индуктору протекает ток высокой частоты (ТВЧ), создающий переменное электромагнитное поле, которое возбуждает вихревые токи в поверхностном слое детали, что, в свою очередь, вызывает оплавление этого слоя и расплавление присадочного материала. С увеличением частоты тока глубина проплавления, а следовательно, и доля основного металла в наплавляемом, уменьшается. При таком способе наплавки толщина зоны сплавления может составлять 40–60 мкм. Отсутствие разбрызгивания металла в процессе наплавки повышает технико-экономические показатели данного метода.

 

Рис. 5. Установка для индукционного нагрева: а – общий вид; б – схема: 1 – ферритный сердечник; 2 – витковый индуктор; 3 – шихта; 4 – основа; 5 – стол

Применение индукционной наплавки позволяет наплавлять и восстанавливать поверхности фасонных изделий. Для этого шихту наносят на разогретую до 300–400 °С поверхность изделия, спекают ее флюсовой частью, формируя конфигурацию изделия. В процессе наплавки жидкую сварочную ванну сохраняют (поддерживают) в горизонтальном положении.

 Газотермическое напыление

В отличие от перечисленных способов нанесения покрытий газотермическое напыление позволяет получать покрытия от десятых долей мм до нескольких мм. Сущность процессов газотермического нанесения покрытий заключается в образовании наплавленного потока дискретных частиц размером от 10 до 200 мкм (рис. 6). Для образования прочных связей между частицами в покрытии необходимо обеспечить достаточный уровень активации при их контакте с поверхностью, которая, как правило, не оплавляется. Это достигается нагревом и ускорением частиц в процессе переноса.

Рис. 6. Схема газопламенного нанесения покрытий

В зависимости от источника теплоты и движущих сил переноса различают следующие способы напыления:

  • газопламенное;
  • плазменное;
  • детонационное;
  • дуговая металлизация;
  • высокочастотная металлизация.

Эти методы отличаются типом источника энергии, расходуемой на нагрев и ускорение материала, создающего покрытие.

В газопламенных процессах для нанесения покрытий используют теплоту, выделяющуюся при сгорании горючих газов в смеси с кислородом или сжатым воздухом. Для создания потока частиц основными видами материалов, используемых при газопламенном напылении, является порошок или проволока (рис. 6). В качестве горючего газа применяют ацетилен, пропан или водород, при сгорании которых в кислороде при выходе из сопла развивается температура 2 500 °С, скорость движения частиц достигает 50–120 м/c, а производительность – 2–8 кг/ч (для стали) и 5–30 кг/ч (для цинка).

Напыление – процесс получения покрытия из нагретых и ускоренных частиц материала с использованием высокотемпературного газового потока, при соударении которых с основой идет их соединение за счет сваривания, адгезии и механического сцепления.

При детонационном методе нанесения покрытий используется энергия взрыва газовых смесей. Этот метод напыления, в отличие от других газотермических методов, является импульсным. Порошок материала, использующийся для формирования покрытия, и смесь газов периодически подаются в распылитель. После возгорания горючей смеси развивается процесс ее детонационного горения. При этом формируется поток частиц материала, которые нагреваются и ускоряются продуктами сгорания газовой смеси. Ударное взаимодействие импульсного двухфазного потока продуктов детонации и частиц порошка с поверхностью основы сопровождается образованием единичного пятна напыления. Процесс образования пятен напыления циклически повторяется.

Плазменный метод нанесения покрытий использует энергию дуговых или высокочастотных разрядов. Газ при взаимодействии с разрядом воспринимает часть его энергии и нагревается до температуры 5 000–5 500 К, переходя в состояние низкотемпературной плазмы. Плазменный поток – это поток вещества, состоящий из электронов, ионов и нейтральных атомов плазмообразующего газа. Частицы исходного материала, попадая в плазменный поток, нагреваются и переносятся на поверхность обрабатываемого изделия.
Газотермическое напыление, при котором нагрев металла в виде проволоки, прутка или ленты осуществляется электрической дугой, а диспергирование – потоком сжатого газа, называется электродуговым напылением. Дуга горит между электродами-проволоками и плавит их. Расплавленный материал выдувается потоком газа, измельчается в мелкие капли и под действием потока газа приобретает определенную скорость. Расплавленные частицы материала при соударении с основой деформируются и охлаждаются, образуя при этом покрытие.

Порошок в высокотемпературный поток подается, как правило, в смеси с транспортирующим газом, функциональное назначение которого – создать газодисперсную смесь с максимально однородным распределением массы дисперсной фазы в объеме и придать частицам скорость, достаточную для их проникновения в наиболее нагретую, центральную часть потока.

Формирование потока частиц при распылении проволоки осуществляется в результате оплавления плазменным потоком ее торца и измельчения образующегося объема расплава на мелкие частицы.

Процесс формирования покрытия содержит всю цепь явлений, которые определяют трансформацию материала основы и ее поверхности, а также частиц дисперсной фазы и транспортирующего потока вблизи ее, в структуру и свойства покрытия.

Элементарный индивидуальный акт взаимодействия при напылении, т. е. взаимодействие одной дисперсной фазы с основой, может быть условно разделен на три этапа образования физического контакта:

  • установление химических связей в результате активации;
  • объемное взаимодействие, сопровождаемое гетеродиффузией;
  • образование новых фаз.

Конструкции покрытий. 

Служебные свойства изделий с покрытиями определяются не только свойствами материала, который был использован при создании рабочей поверхности. Сам процесс нанесения покрытия имеет большие потенциальные возможности как в плане создания новых видов покрытий, так и техники использования самой технологии.

Конструирование покрытия включает в себя определение толщины слоя материала, создающего рабочую поверхность, выбор его состава и структуры системы «покрытие – основа».
Традиционно применяется несколько типов структуры газотермических покрытий (рис. 7).

Использование однослойного покрытия (рис. 7, а) целесообразно в случае создания конструкции «покрытие – основа» из материалов с соизмеримыми значениями коэффициентов термического расширения. Необходимым условием является также обеспечение прочности сцепления покрытия с основой. Как правило, такие условия выдерживаются при нанесении металлических покрытий на металлическую основу.


Рис. 7. Типы структур газотермических покрытий: а – однослойное; б – покрытие с подслоем; в – многокомпонентная структура; г, д – многослойное покрытие

Более распространенным является покрытие с подслоем (рис. 7, б). Подслой имеет меньшую относительно основного слоя покрытия толщину, лежащую в пределах 0,025–0,1 мм. Назначение подслоя – в обеспечении крепкой связи покрытия в целом с основой. Кроме того, его часто используют как переходный слой между материалами основы и основного покрытия для уменьшения разности их коэффициентов термического расширения. Зачастую как подслой используются никель-алюминиевые материалы в виде композиционных порошков или сплавов; при нанесении оксидных покрытий для этого пригодны также никель-титановые сплавы.

За счет соединения свойств матрицы и наполнителей можно получить покрытие с многокомпонентной структурой (рис. 7, в). Покрытия такого типа могут быть получены при нанесении механических смесей покрытий или композиционных порошков. В случае эксплуатации покрытия в условиях механических ударных нагрузок и теплосмен используются многослойные и градиентные структуры (рис. 7, г, д). При этом градиентная структура может быть как слоистой (из нескольких слоев с различным соотношением компонентов), так и непрерывной (отношение компонентов по толщине покрытия изменяется плавно) в результате их раздельного дозирования в процессе напыления.

Материалы для напыления. Для газотермического напыления применяют большое количество порошков из различных материалов с размером частиц от 5 до 200 мкм. Для напыления покрытий используют порошки общепромышленного назначения и специализированные. Специализированные порошки часто выпускают трех классов: ОМ – особо мелкие; М – мелкие; С – средние. Фракционный состав частиц в пределах класса неодинаков для различных групп материалов. Обычно класс ОМ содержит частицы фракций 40–100 мкм, М – 100–280, С – 280–630.

Для напыления применяют порошки двух типов: ​однокомпонентные и двухили более компонентные. Последние называют композиционными порошками.
Однокомпонентные порошки представляют собой частицы из одного элемента (алюминия, титана, молибдена, и др.) или сплавы из различных элементов, например, Fe-C, W-C, Ni-Cr, Ni-Cr-B-Si и др. Структура частиц может быть как гомогенной, так и гетерогенной. Обычно однокомпонентные порошки получают распылением расплавов или восстановлением. В практике газотермического напыления применяют главным образом однокомпонентные порошки. Их достоинство состоит в получении покрытий с однородным химическим составом и структурой.

Композиционные порошки состоят из двух или более различных по свойствам компонентов, разделенных между собой четкой границей раздела.

При газотермическом напылении применяют также различные типы проволочных материалов и стержней. Проволочные материалы используют в виде проволок сплошного сечения, порошковых проволок с металлической оболочкой, порошковых проволок с органической оболочкой.

В основном используют проволоки общепромышленного назначения или специализированные.

Качественная обработка поверхности изделий перед напылением во многом гарантирует высокую адгезионную прочность покрытий. Подготовка поверхности перед напылением преследует следующие цели: удаление жировых и других видов загрязнений; удаление оксидных и более сложных пленок. Наряду с этим необходимо активировать напыляемую поверхность, т. е. вывести ее из состояния термодинамического равновесия. Для этого необходимо разорвать связи между поверхностными атомами твердого тела и инородными поверхностными атомами, повысить энергию поверхностных атомов до уровня обеспечения их химического взаимодействия с напыляемыми частицами. Последнее достигается различными способами очистки – абразивно-струйной, травлением, тлеющим разрядом и другими способами.

Абразивно-струйная очистка является наиболее распространенным методом подготовки поверхности при газотермическом напылении. Обработку поверхности проводят струей сжатого воздуха с абразивными частицами в защитных камерах.

Очистку поверхности электрическими газовыми разрядами наиболее широко применяют при вакуумных конденсационных методах напыления. С этой целью в большинстве установок предусмотрены устройства для предварительной очистки поверхности напыления тлеющим высоковольтным разрядом.

На практике применяют большое количество различных установок для газотермического напыления (рис. 8).
Установки для плазменного напыления можно классифицировать по способу получения плазмы, способу защиты процесса, по давлению в камере и по регенерации газа.

Рис. 8. Установка для  газотермического напыления

По способу получения плазмы различают установки:

  • с дуговыми плазменными распылителями
  • с высокочастотными индукционными распылителями.

Большинство установок выпускается для ведения процесса на воздухе, т. е. не нуждаются в защите от кислорода воздуха. Для напыления с местной защитой используются различные насадки на плазмотрон, местные негерметичные камеры и другие устройства. Большое распространение получают установки для плазменного напыления с общей защитой процесса в герметичных, жестких камерах.

По давлению в камере различают установки для напыления в камерах при давлении плазмообразующего газа, близком к атмосферному; в низком вакууме (Р = 133 Па) и при повышенном давлении (Р > 0,1 МПа). Преимуществом газотермического нанесения покрытий является возможность применения широкого спектра материалов и проведение процесса как в атмосфере, так и защитных камерах. Недостатками являются высокая стоимость процесса, относительно низкая производительность, высокий уровень шума.

Рис. 9. Антифрикционное DLC-покрытие микроинструмента Рис. 10. Износостойкие покрытия фрез, полученные вакуумно-дуговым осаждением: а – алюмонитридом титана TiAlN;
б – нитридом алюминия хрома и титана (AlCrTiN)

Нанесение износостойких покрытий на металлы и твердые сплавы, а также иных видов функциональных покрытий в вакууме осуществляется методом
PVD (Physical Vapour Deposition – физическое вакуумное напыление/осаждение из паровой/газовой фазы)
и PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) – плазмохимическое осаждение из газовой фазы).
В результате применения данных технологий осуществляется нанесение:

  • DLC (алмазоподобные) покрытий (рис. 9);
  • износостойких покрытий металлов и сплавов (рис. 10)
  • декоративных покрытий инструмента.

DLC (Diamond Like Coatings) – это алмазоподобные самосмазывающиеся и антифрикционные покрытия на основе углерода. Особенностью твердых углеродистых антифрикционных покрытий является их, можно сказать, «естественная» способность образовывать особо прочные, износостойкие граничные слои с достаточно низким (в пределах всего 0,1) коэффициентом трения.