Регион:

Формирование напыления и металлизация и их покрытия


Создание износостойкого слоя методами напыления и металлизации характеризуется значительно меньшим тепловым воздействием, чем использование наплавочных технологий. Снижение объема тепловой энергии приводит к уменьшению степени разогрева поверхности детали, которая в течение всего времени нанесения покрытия остается в твердом состоянии. Степень нагрева присадочного материала зависит от вида технологического процесса. Так металлизация детали проводится путем подачи на поверхность детали присадочного материала в жидком состоянии, а при напылении присадочный материал нагревается до температур пластификации и находится в диапазоне температур 0,9—1,0 от его температуры плавления.

Образование поверхностного слоя для этих технологий протекает в три стадии:

1 этап (стадия) формирования

I стадия характеризуется созданием физического контакта. На этой стадии осуществляется сближение присадочного материала с поверхностью детали на расстояние, при котором возникает или физическое взаимодействие, обусловленное силами Ван-дер-Ваальса, или слабое химическое взаимодействие, связанное с активацией поверхности детали и частиц присадочного материала в результате пластической деформации или значительного нагрева. На этой стадии важную роль играют адгезионные процессы взаимодействия поверхностных атомов, которые в зависимости от затраченной энергии реализуются в виде физической и химической адсорбции.

При металлизации стадия физической адсорбции и сближение атомов присадочного материала осуществляется за счет смачивания и активации поверхности твердого материала за счет тепловой энергии. При напылении эта стадия реализуется за счет упруго-пластической деформации присадочного материала в зоне в контакте с поверхностью детали.

Для осуществления химической адсорбции (хемосорбции) требуется более существенная затрата энергии на активацию поверхностного слоя детали. Эта энергия может сообщаться как в виде теплоты (термическая активация), так и энергии упругопластической деформации (механическая активация). Физически протекание хемосорбции можно интерпретировать как процесс разрыва насыщенных связей между поверхностными атомами детали и окружающей средой. Это приводит к появлению неспаренных электронов (радикалов), способных участвовать в последующем химическом взаимодействии с атомами присадочного материала.

2 этап (стадия) формирования

II стадия - стадия поверхностного химического взаимодействия заключается в образовании активных центров роста нанесенного слоя на поверхности изделия как более твердого материала. Важной характеристикой этого этапа является реализация смачивания поверхности детали присадочным материалом.

Смачивание следует отнести к химической адсорбции с образованием сильной связи. Получение качественного соединения металлов при металлизации требует обеспечения условий для смачивания поверхности твердого металла жидким по максимально большой площади их соприкосновения. Это относится к металлам как с близкими, так и с сильно отличающимися теплофизическими свойствами.

Смачивание поверхности твердого металла жидким зависит от целого ряда причин, основными из которых являются:

  1. способность соединяемых металлов давать сплавы, т.е. наличие сродства одного металла к другому;
  2. величина поверхностного натяжения жидкого металла;
  3. температура нагрева поверхности твердого металла и температура перегрева жидкого металла;
  4. наличие на металлической поверхности пленки окислов и др.

Для осуществления смачивания необходимо затратить энергию. В общем случае эта энергия представляет собой убыль свободной поверхностной энергии системы на границах раздела между твердым телом, газом и жидкостью. Речь идет именно о трехфазной системе, так как наличие третьей (газовой) фазы, всегда присутствующей при взаимодействии жидкой и твердой фаз, оказывает значительное влияние на их смачивание.

При металлизации этими фазами являются: поверхность твердого основного металла, жидкий напыляемый металл и защитный газ. Равновесие в рассматриваемой системе определяется силами поверхностного натяжения на границах твердая фаза-жидкая фаза σт.ж, твердая фаза-газ σт.г, жидкая фаза-газ σж.г (рис. 3.1).

Система сил поверхностного натяжения на межфазной границе жидкость-твердое тело-газ

Рис. 3.1. Система сил поверхностного натяжения на межфазной границе жидкость-твердое тело-газ.

Угол Q называют краевым углом смачивания. С уменьшением поверхностного натяжения жидкости на границе ее контакта с газовой средой смачивание улучшается. Однако, способность твердого тела смачиваться зависит также от его поверхностной энергии и поверхностного натяжения на границе твердое теложидкость (σт.г). Следует отметить, что величина σт.г в значительной степени зависит от наличия на поверхности металла окислов. Поверхностное натяжение окислов металлов меньше, чем чистого металла. Поэтому металлы, покрытые пленкой окислов, смачиваются значительно хуже. Для обеспечения хорошего смачивания поверхности основного металла перед металлизацией ее надо хорошо очистить от слоя окислов.

Значение величины σт.ж, представляющей значение удельной свободной поверхностной энергии на границе твердое тело-жидкость, необходимо для анализа и оценки явлений взаимодействия, протекающих на межфазной границе. Не всегда напыляемый жидкий металл хорошо смачивает поверхность твердого основного металла, что объясняется сравнительно высокими значениями поверхностной энергии на межфазной границе твердое тело-жидкость. Понизить значение σт.ж можно введением в распыляемый металл небольших добавок поверхностно-активных веществ. Последние уменьшают поверхностное натяжение жидкого металла и значительно облегчают адсорбцию жидкого расплава на поверхности твердого металла. Так, например, жидкое серебро не смачивает железо. Небольшие добавки меди к жидкому серебру обеспечивают удовлетворительное смачивание им поверхности железа. С изменением концентрации кремния от 0,20 до 5,10 % поверхностное натяжение железа уменьшается с 1710 до 1615 эрг/см2; с изменением концентрации марганца от следов его в железе до 11,82 % поверхностное натяжение уменьшается от 1710 до 1305 эрг/см2; с увеличением содержания кислорода от 0,0042 до 0,076 % поверхностное натяжение железа уменьшается от 1710 до 12,45 эрг/см2; увеличение концентрации никеля в железе приводит к повышению его поверхностного натяжения от 1710 эрг/см2 при наличии следов никеля до 1790 эрг/см2 при 19,8 % никеля.

После установления физического контакта при сближении атомов жидкости с поверхности детали происходит частичное их расслоение. Группы атомов жидкости, состояние которых характеризуется ближним порядком, попадают в сферу действия атомов кристаллической решетки поверхности детали и частично задерживаются периодическим полем последних, что способствует образованию квазидвухмерного слоя жидкости. Взаимодействие атомов жидкости в этом слое ослабляется вследствие возникновения слабых химических связей с атомами подложки. В том случае, когда имеются условия для развития химической реакции в процессе смачивания, может происходить процесс образования прочной химической связи. В частном случае этот процесс сопровождается образованием металлических, ковалентных связей или связей смешанного типа. Процесс сближения атомов при образовании прочных химических связей сопровождается частичным выходом определенного числа ионов из металла в граничную плоскость монослоя, соответствующую «плоскости» адсорбированных атомов жидкости.

Таким образом, в процессе дальнейшего воздействия электронной и кристаллической структуры поверхностного слоя и жидкого металла друг на друга происходит возникновение двухмерных кристаллических образований в зоне контактирования. Эти кристаллические образования возникают в тех случаях, когда возможен хотя бы частичный обмен местами между атомами жидкости и поверхности детали.

3 этап (стадия) формирования

III стадия - стадия объемного взаимодействия наступает с момента образования активных центров в зонах контакта поверхности детали и присадочного материала. На этой стадии протекают процессы, обеспечивающие развитие химического взаимодействия в объеме присадочного материала с образованием прочных металлических или ковалентных связей в зонах контакта его частиц с поверхностью детали. В то же время, реализация химического взаимодействия между основным и присадочным материалами может сопровождаться процессами, приводящими к снижению достигнутой прочности сцепления вследствие рекристаллизации поверхностных слоев металла детали или образования прослоек из хрупких химических соединений в зоне перехода от основного металла к полученному слою.

Металлизация

При металлизации реализуются все три стадии образования покрытия. Перевод частиц присадочного материала в жидкую фазу обеспечивает при соприкосновении с поверхностью детали формирование значительной по площади зон контакта (рис. 3.2).

Высокая температура разогрева расплавленных частиц способствует активизации поверхностного слоя детали и вызывает развитие химического взаимодействия. Такое взаимодействие по площади контакта жидкой капли с поверхностью детали приводит к привариванию частиц присадочного материала, которое происходит путем образования очагов схватывания. Чем больше очагов схватывания, тем выше прочность сцепления частиц с основой. Приваривание частицы присадочного материала наступает только при достижении в зоне контакта с основой критической температуры химического взаимодействия (Tкр). Отсутствие требуемой степени нагрева приводит к появлению в металлизованном слое участков несплавления и пор.

Напыление

Напыление характеризуется нагревом частиц присадочного материала ниже температуры плавления. Их разогрев должен обеспечить практически полную потерю прочностных свойств и переход в высокопластичное состояние. Поэтому при напылении жидкая фаза в зоне контакта основного и присадочного материалов обычно отсутствует.

Схема формирования металлизованного слоя

Рис. 3.2. Схема формирования металлизованного слоя.

В связи с этим активация поверхностных атомов достигается за счет упруго-пластической деформации частиц присадочного материала в зоне контакта с поверхностью детали, а напыленный слой представляет собой слоистый материал, состоящий из сильно деформированных частиц, соединенных между собой по обособленным контактным участкам (рис. 3.3).

Контактные участки не заполняют всю поверхность детали или поверхность предыдущего слоя. Между частицами остаются пустоты и поры, поэтому прочность и плотность напыленных покрытий ниже аналогичных характеристик слоя, полученного методами наплавки. Прочность самих контактных участков зависит от количества очагов схватывания, образующихся на площади Dx в период удара, деформации и затвердевания частицы, и определяется развитием химического взаимодействия материалов в контакте. При отсутствии жидкой фазы в зоне контакта присадочного материала и поверхности детали процесс образования химических связей начинается с частичной перестройки решеток контактирующих фаз, сопровождаемой взаимным втягиванием электронных оболочек. Следующим этапом взаимодействия является развитие процессов растворения и гетерогенной диффузии (прохождение атомами границы раздела) и химических реакций в твердой фазе, приводящих при наличии определенных условий к образованию и росту зародышей новых химических соединений.

Структура напыленного покрытия

Рис. 3.3. Структура напыленного покрытия:
1 - граница между покрытием и основой; 2 - границы между слоями; 3 - контактные участки между частицами в слое.

В напыленном и металлизованном покрытиях можно выделить структурные элементы, которые отражают процессы его формирования и отделяются друг от друга границами раздела с определенными свойствами. Граница раздела между покрытием и основой 1 определяет прочность сцепления слоя с поверхностью детали. Свойства самого покрытия обуславливаются прочностью сцепления частиц его образующих. Граница раздела между слоями (межслойная граница полученная за один проход распылителя) возникает из-за различных интервалов времени между нанесением частиц в слое и временем выдержки между наложением отдельных слоев. За период времени между нанесением отдельных слоев поверхность ранее нанесенного слоя покрытия загрязняется, окисляется, происходит адсорбция газов и отложение пылевидных фракций распыляемого материала. Контактные процессы между такой поверхностью и напыляемыми частицами затрудняются, что и является причиной возникновения границы. В зависимости от размеров и конфигурации напыляемого изделия, траектории перемещения распылителя «пауза» между моментами наложения слоев может достигать секунд и десятков секунд. Это время на несколько порядков больше времени паузы между взаимодействием частиц в слое, нанесенном за один проход.

Структура покрытия

Структура слоя, сформированного за один проход, также неоднородна и определяется различными размерами и энергетическим состоянием (температурой и скоростью) напыляемых частиц. Образование покрытия последовательной укладкой множества деформирующихся частиц неизбежно приводит к появлению микропустот, в первую очередь на стыках частиц. Покрытие формируется в атмосфере, поэтому микропустоты заполняются газом, что ухудшает свойства границ, особенно межслойных, имеющих наибольшую насыщенность адсорбированными газами. Вследствие большой шероховатости покрытия и чрезвычайно быстрого взаимодействия и остывания частиц, в зоне контактов с поверхностью остаются дефекты и полости.

Структура и свойства покрытия в значительно степени зависят от гранулометрического состава напыляемого порошка. С уменьшением размера частиц порошка улучшается степень заполнения покрытия - плотность его увеличивается, объем микропустот уменьшается, строение покрытия становится более однородным. Однако слишком мелкие порошки не пригодны для напыления. Минимальный размер частиц может быть установлен из ряда соображений. Большие затруднения возникают при попытках транспортировки и ввода в распылитель частиц размером 10 мкм и менее. Такие порошки не могут быть заранее подготовлены и выравнены по размеру частиц обычными методами подготовки порошков, поскольку они не рассеиваются на ситах. Мелкие порошки комкуются из-за влажности и проявления сил молекулярного сцепления и образуют конгломераты из нескольких частиц при подаче их потоком транспортирующего газа. Уже будучи введены в высокотемпературный источник нагрева мелкие частицы могут в нем полностью испариться. Мелкие порошки в плотной окружающей атмосфере быстро теряют скорость, отклоняются от заданной траектории и не достигают напыляемой поверхности. Обычно для напыления рекомендуются порошки с размером частиц 40-70 мкм. Однако эта средняя грануляция в зависимости от задач технологии может существенно отклоняться как в сторону более крупных, так и более мелких порошков. Например, в вакууме удается наносить покрытия из порошков с размером частиц несколько микрометров. Плотность таких покрытий приближается к 100 %, а структура отличается высокой однородностью и отсутствием межслойных границ.

Применение

Применяя напыление и металлизацию необходимо учитывать, что слои, полученные этими методами, обладая значительной поверхностной твердостью, не повышают прочность детали по сечению. Поэтому применять технологии напыления и металлизации для изношенных деталей с ослабленным сечением не следует. Кроме того, напыленные и металлизованные слои плохо переносят действие динамических и сдвиговых нагрузок.

В первую очередь напыление и металлизацию применяют в различных отраслях промышленности для нанесения покрытий на поверхности деталей с целью получения необходимых свойств, связанных с условиями их работы: жаростойкости, эрозионной и коррозионной стойкости, износостойкости. Однако нанесение покрытий напылением имеет ряд существенных недостатков.

Низкая прочность сцепления с основой не позволяет восстанавливать детали, работающие в условиях ударных нагрузок. С увеличением толщины слоя свыше 1-1,3 мм прочность сцепления снижается, поэтому наиболее целесообразно восстанавливать детали с износом, не превышающим 0,4-0,6 мм.

Следует учитывать, что с уменьшением диаметра коэффициент использования порошковых сплавов уменьшается. Так, при напылении на валы диаметром 40-60 мм он составляет 55 %, а напыляемые порошковые материалы значительно дороже электродных проволок. Исходя из вышеизложенного, напыление целесообразно применять в первую очередь для восстановления деталей, не подверженных значительным динамическим нагрузкам, изготовленных из чугуна, алюминия и других сплавов, трудно поддающихся восстановлению.

Возможно Вас так же заинтересуют следующие статьи:

comments powered by HyperComments