Регион:

Материалы для напыления и металлизации

Материалы для напыления и металлизации

При напылении и металлизации нашел применения широкий спектр присадочных материалов. Они подразделяются по конструктивному исполнению и химическому составу.

Конструктивно в качестве присадочных материалов для напыления и металлизации применяют проволоки, чаще сплошного сечения, реже порошковые, шнуровые присадочные материалы, прутки и трубчатые электроды и порошки.

В зависимости от своего химического состава присадочные материалы обеспечивают формирование на поверхности детали следующих покрытий:

  1. Износостойкие покрытия, обеспечивающие более длительную работу деталей в рабочих условиях, на основе:
  • сталей и сплавов на железной основе,
  • композиционных материалов;
  1. Коррозионно-стойкие покрытия, обеспечивающие стойкость поверхности детали при работе в активных средах, на основе:
  • высоколегированных сталей,
  • цветных металлов и сплавов на их основе;
  1. Технологические покрытия, обеспечивающие защиту поверхности деталей при технологическом переделе;
  2. Конструкционные покрытия, с помощью которых восстанавливаются размер и форма детали.

Проволоки и шнуровые материалы

Непрерывные электроды в виде проволок разной конструкции применяют преимущественно для металлизации поверхностей. Распыление металла непрерывного электрода требует его обязательного расплавления и перехода в жидкое состояние. При металлизации применяют проволочные материалы диаметром 0,5-5,0 мм, которые подразделяют на следующие группы: 1) проволоки сплошного сечения; 2) порошковые проволоки с металлической оболочкой; 3) порошковые проволоки с органической оболочкой.

Проволоки сплошного сечения, обычно из чистых металлов или сплавов на их основе производят методами волочения. Этот вид проволочных материалов получил наибольшее применение при металлизации. Подготовка проволоки перед напылением чаще всего заключается в обезжиривании и травлении. Обезжириванием удаляют органические загрязнения; травлением - оксидные пленки. Составы ванн и режимы обработки определяются маркой проволоки. Во многих случаях эффективна абразивноструйная очистка проволоки, электрополировка и другие способы обработки.

Из проволок на основе железа наибольшее распространение для металлизации получили углеродистые и низко- и среднелегированные проволоки. Углеродистые и низколегированные стали наиболее целесообразно применять при восстановительном ремонте газопламенным напылением или электродуговой металлизацией. Напыленные покрытия имеют достаточно высокую твердость. Восстановленные изделия по износу не уступают исходным. Для напыления, в основном, применяют проволоку из сталей Ст3; У 7; 40Х; 50ХФА и др. При напылении покрытий из стали У 7 микротвердость металла колеблется в пределах 2100-7750 МПа. Высокоуглеродистые стали и чугуны при их напылении образуют хрупкие покрытия, практически непригодные для эксплуатации.

Порошковые проволоки с металлической оболочкой перспективны для напыления композиционных покрытий. Порошковые проволоки производят вальцовкой ленты в трубку с одновременной засыпкой в образовавшуюся полость дисперсной шихты. При последующем волочении заполненной трубки получают проволоку различных диаметров. При этом легко регулируется отношение между массой порошка и оболочки. Возможны разнообразные сочетания в расположении оболочки и порошка (рис. 3.30).

Шнуровые материалы - это порошковые проволоки с органической оболочкой, которые применяют в основном для газопламенного напыления и реже для плазменного.

Порошковые проволоки и шнуровые материалы с органической оболочкой

Рис. 3.30. Порошковые проволоки (I—III) и шнуровые материалы с органической оболочкой (IV).

Подготовку порошковых проволок перед напылением осуществляют посредством их обезжиривания протиркой сильными растворителями (бензином, ацетоном и др.) или абразивноструйной очисткой.

Прутки и трубчатые электроды

Стержни сплошного сечения изготавливают отливкой. Порошковые стержни формуют из измельченных материалов, например, оксидов, а затем подвергают спеканию. Обычно их диаметр составляет 3-6 мм, а длина 500-600 мм.

Порошки

При напылении и металлизации порошки являются одним из самых распространенных материалов. Размер частиц порошка колеблется от 5 до 800 мкм. Различают порошки общепромышленного и специализированного назначения. Для общепромышленного напыления применяют порошки с размером частиц не более 200 мкм. Специализированные порошки часто выпускают трех классов:

  1. ОМ - особо мелкие с размером частиц 40-100 мкм;
  2. М - мелкие с размером частиц 100-280 мкм;
  3. С - средние с размером частиц 280-630 мкм.

Обязательной операцией при подготовке порошков является их сушка или прокаливание. При этом улучшается сыпучесть порошка, снижается количество связанной и адсорбированной влаги, органических загрязнений. Для сушки металлических порошков температура составляет 120-150 °С. При более высоких температурах наблюдается интенсивное окисление порошка. Оксидные порошки прокаливают при температуре 600-700 °С. Для сушки и прокаливания используют металлические противни с толщиной засыпки порошка 5-10 мм. Время обработки выбирают в пределах 2-5 ч. Сушку и прокалку порошков осуществляют в печах или шкафах.

Подготавливая порошки для напыления, полезно проверить их сыпучесть. Для этих целей используют методики, принятые в порошковой металлургии. При подготовке для напыления нестандартных порошков большое внимание уделяют рассеву. При этом используют как ситовый рассев, так и другие способы разделения. Для некоторых порошков целесообразна операция обезжиривания.

По химическому составу частиц применяют порошки двух типов: однокомпонентные и двух- или более компонентные. Последние называют композиционными порошками.

Однокомпонентные порошки содержат частицы, полученные из одного металла (алюминия, титана, молибдена и др.) или сплава (Ре-С; Ni-Al; W-С; Ni-Cr; Ni-Cr-B-Si и др.). Структура частиц может быть как гомогенной, так и гетерогенной. Обычно однокомпонентные порошки получают:

  • механическим измельчением, которое предпочтительно для хрупких материалов (Si, Cr, Mn, ферросплавов);
  • распылением (диспергированием) расплавов, которое может осуществлять водой, газовыми средами или механическим способом (например, центробежное распыление) и применяется для широкого перечня металлов и сплавов;
  • восстановлением, которое приводит к изменению химического состава порошка за счет протекания в его объеме восстановительных реакций.

Основное достоинство однокомпонентных порошков состоит в получении покрытий с однородным химическим составом и структурой.

Композиционные порошки

Композиционные частицы порошка состоят из двух или более различных по свойствам компонентов, разделенных между собой четкой границей раздела. Строение композиционных порошковых частиц, получивших наибольшее распространение, показано на рис. 3.31.

При получении композиционных порошков в основном используют: плакирование и конгломерирование. Плакирование порошковых частиц осуществляют следующими методами: химическим восстановлением плакирующего элемента из солей; электролитическими способами; карбонильным разложением соединений; вакуумным конденсационным напылением; диффузионным насыщением.

Строение порошковых композиционных частиц

Рис. 3.31. Строение порошковых композиционных частиц:
1, 3, 5 - плакированные; 2 - конгломерированные; 4, 6 - смешанного типа.

В настоящее время для плакировки порошков в основном используют восстановление металлов (никеля, кобальта, меди и др.) из их солей водородом, гипофосфитом натрия, гидразином и другими восстановителями. Толщина плакировки в пределах фракции порошка меняется незначительно и обычно составляет 2-5 мкм и более. При расчетах объемной и массовой доли осажденного металла необходимо учитывать проникновение его в поверхностные дефекты порошковых частиц. При выборе способа и режима напыления необходимо учитывать большую вероятность сворачивания плакировки на частицах вплоть до полного ее отделения.

Конгломерирование композиционных порошков осуществляют с применением связующих веществ. Благодаря этому возможны любые композиции, реализуется несложная технология, достигается высокая экономичность. Удаление растворителя осуществляется в процессе сушки порошков. Высокотемпературное спекание позволяет повысить прочность гранул и частично удалить связующее вещество.

Конгломерированные частицы с недостаточной механической прочностью распадаются в процессе нагрева и переноса при напылении. Эффективность композиции при этом снижается. Для получения однородных конгломерированиых частиц используют тонкодисперсные порошки с размером 1-10 мкм.

При напылении композиционными порошками обеспечивается:

  • получение гетерогенных мелкодисперсных структур с равномерным распределением компонентов, например Со-WC-TiC, Ni-Ni3Al-Al; Ni-Al2O3 и др.;
  • протекание экзотермических реакций между компонентами порошка (Ni-Al; Ni-Ti; Со-Al; Ni-Cr-Al и др.);
  • защита ядра напыляемой частицы плакировкой от взаимодействия с газовой фазой и др.

Композиционные порошки по характеру их поведения при напылении разделяются на две группы: экзотермически реагирующие и термонейтральные. Применение экзотермически реагирующих порошков характеризуется протеканием в их объеме химических реакций с активным выделением теплоты. Экзотермическими реакциями сопровождается взаимодействие большинства элементов периодической таблицы с бором, углеродом, азотом, кремнием, серой, алюминием и др.:

aX + bY = Z,

где X - металл (Ti, Zr, Nb, Ta, Mo, W); Y - металлоиды (В, C, N, Si, S, Se, Al); Z - продукты реакции: бориды, нитриды, интерме-таллиды, карбиды, силициды.

В экзотермических композициях различаются следующие типы:

  • металлидные Ni-Al; Ni-Ti, Со-Al; Со-Si; Мо-Ni и др.;
  • металлооксидные Al-NiO; Al-РеО; Сг-CuO; Ti-NiO и др.;
  • металлоидные Al-WC; Ti-SiC; Ti-B4C; Ti-Si3N4 и др.

Металлидные термореагирующие порошки

Металлидные термореагирующие порошковые сплавы повышают прочность сцепления покрытия с основой и физикомеханические свойства в целом. Их применяют в качестве подслоя или для напыления основного слоя. Каждая частица таких экзотермических порошков состоит из ядра, например никелевого, покрытого тонким слоем мелкодисперсного алюминия.

Протекание реакций в объеме частицы экзотермически реагирующих порошков инициируется первичным подводом теплоты при напылении. При этом важно совмещение нагрева частиц от основного источника теплоты с теплотой, которая выделяется при протекании реакции. Tепловой эффект экзотермических реакций в порошках различного химического состава представлен на рис. 3.32.

Тепловой эффект реакций

Рис. 3.32. Тепловой эффект реакций:
1 - V2O5 + O2; 2 - NiAl + O2; 3 - Al + О2; 4 - CuO + Al; 5 - CoO + Al; 6 - NiO + Al; 7 - WO3 + Al; 8 - Cr2O3 + Al; 9 - 3Ni + Al = Ni3Al; 10 - Ni + Al = NiAl; 11 - ZrO2 + Al.

Наиболее значительные тепловые эффекты наблюдаются в металлооксидных композициях. Для большинства оксидов возрастание температуры напыляемых частиц за счет протекания экзотермических реакций превышает 2000 °C. В металлидных системах тепловой эффект реакции существенно ниже. Прирост температуры напыляемых частиц достигает от 300 до 1000 °C.

Для протекания экзотермической реакции необходимо частицу нагреть до определенной температуры. В зависимости от реагирующих систем эта температура составляет 600-1300 °C.

Для стимулирования экзотермических реакций важно иметь минимальную степень окисления исходных компонентов. Это особенно относится к алюминию, образующему на поверхности порошковых частиц прочную оксидную пленку. Наличие оксидов на порошковых частицах в композиции разобщает реагирующие компоненты и тормозит протекание реакции.

В ряде случаев целесообразно вводить в конгломерат вещества, обладающие восстановительной способностью по отношению к оксидам, например, некоторые галогениды.

Металлоидные термонейтральные порошки

В металлоидных термонейтральных порошках экзотермическая реакция не протекает или тепловой эффект ее пренебрежимо мал. Большинство соединений металлоидного типа характеризуется повышенной хрупкостью. В связи с этим в состав покрытия целесообразно вводить пластичный компонент, например, металл или сплав. Соотношение в покрытии между металлоидным соединением и пластичным металлом колеблется в широких пределах. При этом учитывают как свойства металлоидного соединения, так и условия эксплуатации напыленного изделия.

В таких порошках возможны различные типы композиций:

  • металл (сплав) - тугоплавкое металлоидное соединение, чаще всего карбид: Сг-WC, Ni-WC; Ni-Cr3C2; Ni-Ti-В; Cu-SiC; Мо-Cr3С2; (Ni-Cr)-WC; (Ni-Cr-B-Si)-WC и др.;
  • металл (сплав) - металлоидные соединения (Ni-Cr)-NiAl; (Ni-Cr-B-Si)-NiAl и др.;
  • металл (сплав) — оксид: Ni-Al2O3; Ni-ZrO2; Cu-ZrO2; Ni-MgO; Мо-Аl2O3 и др.;
  • оксид-оксид: SiO2-Cr2O3; SiO2-Al2O3 и др.;
  • металл (сплав) - твердая смазка Al-BN; Ni-BN; никель-графит; (Ni-Cr)-CаF2; Мо-S и др.

По назначению порошки предназначены для создания:

  • износостойких покрытий, работающих в различных условиях контакта с изнашивающей средой;
  • коррозионно-стойких и жаропрочных покрытий;
  • теплостойких покрытий;
  • электропроводных и электроизоляционных покрытий;
  • уплотнительных покрытий;
  • декоративных покрытий.

Износостойкие покрытия на поверхностях деталей при напылении могут быть получены при использовании порошков как на основе цветных металлов, так и на железной основе. Выбор требуемого состава порошка определяется условиями эксплуатации поверхностного слоя.

При работе в условиях наличия в зоне трения пленочной жидкой смазки широкое применение в качестве износостойких антифрикционных материалов нашли баббиты и бронзы. Некоторые марки порошков и их назначение представлены в табл. 3.11.

Таблица 3.11. Характеристики порошков для работы при трении со смазкой.

Марка

Химический состав, %

Назначение

Баббиты

ПР-Б 83

Sn-основа
Pb - 11 %
Cu - 6 %

Антифрикционные покрытия на тяжелонагруженные подшипники скольжения.

Алюминиевые бронзы

ПР-Бр АЖНМц 8,5-4-5-1,5
(ПР-Бр АЖНМц 8,5-1,5-5-1,5)

Al - 8,5 %
Fe - 1,5-4,0 %
Ni - 5,0 %
Mn - 1,5 %

Антифрикционные, устойчивые против коррозии покрытия. Сопротивляются абразивному износу. Ремонт и защита поверхностей скольжения.

ПР-Бр АМц 9-2
ПР-Бр АЖ 9,5-1
ПР-БрА9

Al - 9,0-9,5 %
Mn - 2 %
Fe - 1 %

Оловянистые бронзы

ПР-Бр ОФ 10-1
ПР-Бр ОФ 8-0,3

Sn - 8-10 %
P - 0,3-1 %
Cu - основа

Антифрикционные покрытия с повышенной износостойкостью.

ПР-Бр ОН 8,5-3

Sn - 8,5 %
Ni - 3,0 %
Si - 1,0 %
Cu - основа

Антифрикционные износостойкие покрытия с хорошей притираемостью в парах скольжения.

ПР-Бр ОС 7-10
ПР-Бр ОЦС 5-5-5

Sn - 5,0-7,0 %
Pb - 5,0 %
Zn - 5,0 %
Cu - основа

Антифрикционные, износостойкие покрытия. Противозадирные покрытия на резьбовых соединениях нефтекомпрессорных труб.

ПР-Бр ОСЦФ 7-10-1-1,5

Sn - 7,0 %
Pb - 10 %
Zn - 10 %
P - 1,5 %
Сu - основа

Антифрикционные, износостойкие покрытия. Противозадирные покрытия на резьбовых соединениях нефтекомпрессорных труб.

ПР-Бр O10
ПР-Бр ОС 10-1,5

Sn - 10 %
Pb - 15 %
Сu - основа

Твердые покрытия на пароводяную запорную арматуру.

Хромистые бронзы

ПР-Бр Х

Cr - 1,0 %
Cu - основа

Износостойкие покрытия с высокой электро- и теплопроводностью и жаропрочностью.

Свинцовые бронзы

ПР-С30

Рb - 30 %
Сu - основа

Антифрикционные покрытия с улучшенной обрабатываемостью, сопротивление кавитации.

Газотермические покрытия пористостью 5-15 % при жидкостном трении обладают более высокой износостойкостью, чем новая деталь. Так, у нового стального вала двигателя внутреннего сгорания после прекращения подачи обычной моторной смазки через 2,5-3 ч происходит разрушение масляной пленки и заедание в баббитовом подшипнике, что приводит к резкому увеличению коэффициента трения и разрушению подшипника. Заедание вала с напыленным стальным покрытием происходит через 22,5 ч после прекращения подачи смазки при постепенном повышении коэффициента трения. Если в качестве смазочного материала использовали графитизированное масло, то заедания вала с напыленным покрытием не наблюдалось после 190 ч с момента прекращения подачи смазки.

Возможно Вас так же заинтересуют следующие статьи:

comments powered by HyperComments