Регион:

Методы повышения прочности сцепления напыленного слоя

Методы повышения прочности сцепления напыленного слоя

Одной из основных проблем при напылении и металлизации является обеспечение достаточной прочности сцепления полученного слоя с поверхностью детали. Степень адгезионного взаимодействия во многом зависит от подготовки напыляемой поверхности. К технологическим приемам, увеличивающим адгезию, относятся:

  1. Очистка поверхностного слоя от окисных пленок, продуктов коррозии и механических загрязнений. Удаление инородных химических соединений с поверхности детали способствует активизации атомов поверхностного слоя и усиливает их молекулярное взаимодействие. Методами химической или физико-химической обработки с поверхности детали должны быть полностью удалены загрязнения, пленки окислов, жировые пятна, влага и продукты коррозии. Детали очищают от грязи, масла в моющих препаратах типа «Лобомид-102», «Лобомид-103» и др., а затем сушат. Очистку от загрязнений проводят в моечных машинах или щетками. Чугунные детали, работавшие продолжительное время в масляной среде, в процессе очистки подвергают сушке в шкафу или печи при температуре 250-300 °С;
  2. Создание на поверхности детали специального рельефа, увеличивающего площадь контактной поверхности детали. Создание развитого рельефа на поверхности детали является широко распространенным и эффективным способом повышения прочности сцепления присадочного материала с поверхностью детали при напылении. Применение методов механического формирования поверхностей позволяет повысить шероховатость или создать ярко выраженный рельеф. Сопровождающая этот процесс пере-деформация поверхностного слоя приводит к дроблению окисных пленок и способствует выходу на поверхность не окисленных подповерхностных слоев металла.

Нарезание «рваной» резьбы применяют для подготовки к напылению небольших участков поверхности или поверхностей сложной формы. «Рваную» резьбу нарезают на поверхности термически необработанных деталей на токарно-винторезном станке резцом, установленным с большим вылетом. При этом резец располагается ниже оси детали на 1-4 мм. Вибрация резца приводит к появлению шероховатой поверхности с заусенцами. Резьбу нарезают при скорости резания 8-10 м/мин (без охлаждения) за один проход резца на глубину 0,6-0,8 мм. Шаг резьбы составляет 0,9-1,3 мм, а для вязких и мягких материалов - 1,1—1,3 мм. Для выхода резца при нарезании резьбы и устранения выкрашивания краев напыленного покрытия по периметру зоны напыления делают кольцевые канавки, глубина которых должна быть на 0,2-0,3 мм больше глубины резьбы. В ряде случаев кольцевые канавки заменяют черновой обточкой с оставлением буртиков шириной 1-2 мм (рис. 3.4).

Схема обработки поверхности при нарезании «рваной» резьбы и выточки канавки по периметру напыляемой поверхности

Рис. 3.4. Схема обработки поверхности при нарезании «рваной» резьбы (а) и выточки канавки по периметру напыляемой поверхности (б).

В табл. 3.1 приведены некоторые режимы при нарезании рваной резьбы.

Часто нарезание резьбы заменяют более производительным процессом - накаткой резьбы. Однако, прочность связи основного металла с покрытием при этом несколько ухудшается.

При значительной площади напыляемой или металлизуемой поверхности создание рельефа лучше осуществлять с применением дробеструйной обработки. Для предупреждения скалывания или выкрашивания покрытия по внешнему периметру перед обработкой также протачивают специальные канавки.

У деталей сложной формы для заделки трещин, раковин применяют пескоструйную обработку сухим кварцевым песком с размером частиц 1,5-2 мм.

Таблица 3.1Режимы нарезания «рваной» резьбы на наружной поверхности деталей, подлежащих металлизации.

Диаметр детали, мм

Смещение резца, мм

Частота вращения,об/мин

Диаметр детали, мм

Смещение резца, мм

Частота вращения, об/мин

10

1,0

800

100

4,5

30

15

1,5

210

150

5,0

20

20

2,0

150

200

6,0

15

25

2,5

135

250

7,5

13

30

3,0

100

300

9,0

10

35

3,0

95

350

11,0

9

40

3,0

75

400

13,0

7

45

3,0

70

450

15,0

6

50

3,5

60

500

16,0

5

75

4,0

45

-

-

-

В отдельных случаях требуемую шероховатость поверхности получают, наматывая на деталь очищенную от окалины проволоку диаметром 0,5-1,6 мм с шагом, равным двум-пяти диаметрам-проволоки. Намотанную проволоку закрепляют сваркой, после чего проводят пескоструйную обработку. В табл. 3.2 представлены основные характеристики различных способов создания шероховатых поверхностей под напыление.

Таблица 3.2. Основные способы механической подготовки поверхности деталей под напыление.

Наименование способа

Технический процесс

Область применения

Дробеструйная обработка

Подача на поверхность металлической чугунной крошки или дроби с размером частиц 1,5-2 мм при давлении воздуха 0,5-0,6 МПа

Для плоских деталей большой площади

Пескоструйная обработка

Обдувка поверхности деталей из пистолета в специальной камере кварцевым песком с размером зерен 0,5-2,5 мм под избыточным давлением воздуха 1-6 атм

Для деталей сложной формы, при заделке трещин на чугунных деталях, для деталей с подвижной посадкой, а также при подготовке к нанесению жаропрочных и декоративных покрытий при толщине слоя от 0,02 до 3 мм

Нарезание «рваной» резьбы

После проточки с целью получения точности формы на токарном станке нарезают «рваную» резьбу с шагом 0,5-1,8 мм и глубиной 0,15-0,7 мм в зависимости от диаметра. «Рваную» резьбу получают при установке резца в резцедержателе с вылетом 100-150 мм и смещении его ниже центра от 1 до 4 мм

Обеспечивает самую высокую сцепляемость и может применяться во всех случаях, где требуется высокая прочность сцепления при толщине покрытия от 0,5 до 2,0 мм. Недостаток способа - значительное снижение усталостной прочности деталей. Широко используется при ремонте валов и втулок из мягких сталей

Нарезание круглой резьбы с обкаткой

После проточки на токарном станке с помощью специального резца наносят ряд параллельных полукруглых канавок глубиной 0,6-0,7 мм, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга. Поверхность канавок обкатывают роликом для придания формы ласточкина хвоста. Вместо параллельных канавок допускается нарезание круглой резьбы с шагом 1,6 мм для стали и 1,8 мм для чугуна

При нанесении покрытий толщиной от 0,5 до 2,0 мм для восстановления размеров валов и других деталей из незакаленной и нецементированной стали. Может применяться для подготовки внутренних цилиндрических поверхностей

Насечка зубилом с последующей пескоструйной обработкой

Насечка зубилом (вручную или механически) рисок с последующей пескоструйной обработкой

Наиболее часто применяется для плоских поверхностей, реже для цилиндрических деталей

Намотка проволоки с последующей пескоструйной обработкой

Проволоку диаметром 0,5-1,5 мм наматывают в один ряд с шагом намотки от 2 до 5 диаметров проволоки. После намотки и закрепления проволоки (с помощью сварки) производят пескоструйную обработку всей поверхности, подлежащей металлизации

Для восстановления закаленных тяжело нагруженных деталей при толщине покрытия 0,7-2,0 мм. Диаметр проволоки должен быть меньше половины толщины слоя

Обдувка дробью

После обработки резанием производят обдувку детали стальной или чугунной дробью диаметром 0,5-2,0 мм. Дробь ударяется о поверхность детали со скоростью 50-70 м/с, осуществляет наклеп поверхности и придает ей шероховатость

Для обработки внутренних и наружных поверхностей любой формы. Усталостная прочность деталей при такой обработке не только не снижается, а даже несколько возрастает

Электродуговая обработка

Металлическим электродом с применением вибратора на поверхность детали наносится металл с высотой отдельных выступов 0,1-3,0 мм

Для закаленных сталей, можно обрабатывать внутренние и наружные поверхности любой формы

Разные способы подготовки поверхностей деталей под напыление оказывают различное влияние на предел выносливости. Эффективный коэффициент концентрации напряжений и прочность сцепления полученного слоя с основным металлом приведены в табл. 3.3.

Таблица 3.3. Характеристики прочности сцепления напыленного слоя после разных методов подготовки поверхности под напыление.

Вид обработки

Предел выносливости, МПа

Эффективный коэффициент концентрации напряжений

Прочность сцепления, МПа

Толщина покрытия, мм

Обработка дробью

324

0,78

104,0

0,2-3,0

Накатка (прямая, косая, перекрестная)

306

0,82

100,0

-

Обдувка песком

278

0,91

34,5

-

Шлифование

252

1,00

-

-

Нанесение треугольной нарезки с последущей обработкой дробью

245

1,02

190,0

-

Электроискровая обработка

194

1,29

110,0

0,7-10,0

Нанесение нарезки:
Круглой
Треугольной

-

1,29
1,33

194-188
167-188

0,15-4,0

Электродуговая обработка

170

1,48

25,0

-

Нарезка кольцевых канавок

165

1,52

140,0

-

Наиболее рациональный метод создания шероховатости, в наименьшей мере снижающий сопротивление усталости детали, -это дробеструйная обработка. Другие методы получения на поверхности шероховатости (нарезание рваной резьбы, электроискровая или электромеханическая обработка, анодно-механическое шлифование) приводят к резкому падению сопротивления усталости металла детали;

  1. Нанесение подслоя, выполняющего роль промежуточной зоны между напыленном слоем и поверхностью детали. Предварительное напыление подслоя толщиной от 10 до 100 мкм из металлов, образующих прочные химические связи в результате их взаимодействия с поверхностью стальной детали, позволяют существенно повысить прочность сцепления напыленного слоя с основой.

Применение тугоплавких металлов позволяет скомпенсировать недостаток тепловой энергии, передаваемой напыляемой частицей в зону контакта. Тугоплавкие металлы до их расплавления способны поглотить значительное количество теплоты. Частицы таких металлов в момент контакта с поверхностью детали вызывают ее дополнительный подогрев, что способствует образованию прочного покрытия. Поэтому покрытия из тугоплавких металлов часто используют для формирования подслоя, который наносят на изделие под основное покрытие для повышения прочности сцепления слоя с поверхностью детали.

Применение таких металлов, как молибден, сплавы на никелевой основе, содержащие в своем составе алюминий, титан и др., может значительно повысить прочность сцепления напыленного слоя с основой. Весьма перспективно напыление композиционным порошком (никель-алюминий), каждая частица которого состоит из алюминия, окруженного никелевой оболочкой. При напылении в результате алюминотермической реакции образуется покрытие - алюминид никеля NiAl, отличающееся высокой стойкостью к окислению и более высокой температурой плавления (1640 °С), чем составляющие его металлы и железо основы. При напылении такой частицы порошка происходит экзотермическая реакция, сопровождающаяся дополнительным выделением теплоты и повышением температуры в зоне контакта.

Кроме того, нанесение подслоя способствует развитию процессов объемного взаимодействия, которые особенно активно развиваются на поверхностях, отличающихся пористой, дефектной, неравновесной структурой и сильно искаженной кристаллической решеткой. На таких поверхностях в результате диффузии происходит активное образование новых фаз, особенно активно выделяющихся в переходной зоне «покрытие-подслой-основа».

Нанесение подслоя может иметь и негативный эффект вследствие появления интерметаллидных хрупких фаз в переходных зонах при длительной эксплуатации металлизованных покрытий при повышенных температурах;

  1. Использование предварительного подогрева, обеспечивающего термическую активизацию поверхности детали перед напылением или металлизацией. Напыление на поверхность детали близкого по составу металла, например сталь на сталь, ограничивает количество теплоты, передаваемое поверхностному слою напыляемой частицей. Получаемая при этом прочность сцепления часто невысока, так как в зоне контакта требуемая температура нагрева не достигается. Для увеличения тепловложения в зоне контакта наряду с нагревом присадочного материала используют дополнительный предварительный нагрев поверхности детали.

Однако, следует иметь в виду, что подогрев металлических изделий на воздухе ограничен стойкостью данного металла против окисления. Даже при низких температурах около 20 °С «свежая» поверхность металлов быстро окисляется в первые же несколько минут. Затем скорость окисления сильно замедляется, а через несколько часов на поверхности обычно образуется тонкий устойчивый слой оксида толщиной 2-5 нм. При нагреве металла выше некоторой критической температуры (для низкоуглеродистой стали обычно 100-300 °С) толщина пленки оксида растет значительно быстрее.

Толстые оксидные пленки препятствуют образованию прочного сцепления металлических частиц с основой, разделяя взаимодействующие металлы. К оксидным пленкам металлические частицы не привариваются по двумя причинами: энергия активации оксидов выше энергии активации большинства металлов и для осуществления взаимодействия необходима более высокая температура в контакте. Поэтому термическая активация в обычных условиях напыления (без защитной атмосферы) за счет подогрева подложки ограничена узким диапазоном температур. По этой причине же для ряда покрытий «металлический порошок— подложка» не допускается даже небольшой подогрев.

Так например, при напылении ванадия на полированный образец из никеля прочное сцепление возникает уже при 20 °С. Однако, если образец предварительно выдержать в течение 13 мин на воздухе при 400-500 °С, а затем охладить до 20 °С, то при последующем напылении привариванию частиц мешает толстая пленка окислов. При напылении на медь толстая оксидная пленка появляется при нагреве выше 100-150 °С. При напылении хромоникелевыми порошковыми сплавами деталь рекомендуется подогревать не более чем до 250 °С. Вместе с тем для других пар контактирующих металлов, таких, как молибден -медь, вольфрам - медь прочность сцепления значительно возрастает при температурах подогрева медной подложки 450-650 °С;

  1. Использование сопутствующего или последующего оплавления, обеспечивающего получение некоторого объема расплавленного металла в напыленном слое. При напылении контакт частиц между собой и с поверхностью детали осуществляется на относительно небольших по площади участках, что является одной из главных причин пористости полученного слоя. Воздействие на такой слой даже сравнительно низких динамических нагрузок может приводить к его отслоению. Для улучшения сцепления напыленных покрытий и повышения их прочности до уровня, близкого к прочности наплавленных слоев, напыленную поверхность можно подвергнуть дополнительному оплавлению как в процессе нанесения слоя, так и после его формирования.

Наличие жидкой фазы - одно из главных условий протекания процесса оплавления. При этом перегревать покрытие до полного расплавления не следует, так как в этом случае упрочняющие напыленный слой частицы карбидов и боридов растворяются и переходят в жидкий раствор, а при последующей кристаллизации образуют более грубую структуру, ухудшая качество покрытия. При оплавлении напыленных покрытий расплавление должно идти за счет легкоплавкой составляющей присадочного материала, образующей эвтектику. Жидкая фаза при плавлении эвтектики появляется за 100-150 °С до расплавления остальной части напыленного слоя. В результате такие составляющие структуры сплавов как твердый раствор и карбиды остаются в твердом состоянии и сохраняют общую целостность покрытий. Возникшая жидкая фаза заполняет образовавшиеся при напылении поры, обеспечивая диффузию элементов, в результате чего происходит окончательное формирование структуры покрытия. Для формирования жидкой фазы широко применяются сплавы на никелевой основе, которые имеют низкую температуру плавления (980-1080 °С).

Появление жидкой фазы при оплавлении приводит к интенсификации процессов взаимодействия с окружающей средой и окислению легирующих элементов в напыленном слое. Поэтому обязательной функцией присадочного материала при напылении с оплавлением должно быть самофлюсование, происходящее за счет раскислителей (кремния и бора), которые при оплавлении связывают кислород, образуя боросиликатные шлаки (В2O3, SiO2). Они легко всплывают на поверхность покрытия, а также способствуют хорошей смачиваемости поверхности оплавляемого изделия.

С целью оплавления напыляемое покрытие рекомендуется нагревать до температуры, при которой происходит характерное «запотевание» слоя, выражающееся в появлении на оплавляемых участках блестящей поверхности.

Однако, несмотря на то, что способ напыления с оплавлением позволяет получать высококачественные износостойкие покрытия с минимальным припуском на механическую обработку, он характеризуется наличием следующих недостатков. Процесс напыления с оплавлением является трудоемким и по производительности уступает процессам получения покрытий наплавкой и электролитическими способами. Применение дорогих самофлюсующихся порошков значительно повышает себестоимость восстановления. Нагрев покрытия и детали при оплавлении достигает 1100 °С, что выше температур фазовых превращений, и все недостатки, характерные для наплавки, присущи и этому способу. Оплавление напыленных поверхностей крупногабаритных деталей сложной формы (коленчатые валы) из-за неравномерности нагрева отдельных частей не позволяет получать качественных покрытий: образуются трещины, отслоения.

Таким образом, при включении в технологический процесс напыления операции оплавления необходимо учитывать специальные требования к присадочным материалам. В этом случае пригодны только такие порошковые сплавы, которые содержат в своем составе легкоплавкие элементы и обладают способностью самофлюсования.

Возможно Вас так же заинтересуют следующие статьи:

comments powered by HyperComments