 |
|
Комбинированные способы повышени я качества поверхностного слоя
Рисунок 5.2 − Повышение качества поверхностного слоя комбинированной
упрочняющей обработкой
Каждый способ упрочняющей обработки обеспечивает индивидуальный диапазон значений параметров качества поверхностного слоя для разных ТС. В приложении Б приведены различные способы повышения качества поверхностей трения и долговечности основных трибосопряжений машин.
Методы нанесения покрытий необходимо разделять по толщине покрытия: толстые; тонкие твердые и мягкие покрытия. Большую часть покрытий можно отнести к тонким, для них характерна толщина модифицированного слоя от нескольких нанометров до десятка микрометров.
При всех способах нанесения твердых покрытий в модифицированном слое формируются растягивающие остаточные напряжения до 1100 МПа, имеет место резкая граница между покрытием и основным металлом, что способствует концентрации напряжений.
Даже при очень плотном контакте покрытия и основы в переходном слое имеются участки с ослабленными связями, являющимися по сути микротрещинами, способность к распространению которых растет с увеличением толщины покрытия. При работе в условиях усталости и контактной выносливости наблюдается разрушение упрочняющих покрытий отслаиванием. Отмечено влияние на контактно-усталостную прочность глубины упрочнения и градиента изменения микротвердости.
Толстые покрытия легко отслаиваются даже при небольших деформациях. Кроме того все толстые покрытия требуют последующей механической обработки из-за ухудшения шероховатости поверхности и снижения точности размеров. Следовательно, упрочнение тяжелонагруженных деталей машин твердыми толстыми и тонкими покрытиями нецелесообразно. Отсюда следует, что нанесение твердых покрытий эффективно только с целью повышения износостойкости. Также, несмотря на большие перспективы повышения долговечности нанесением тонких мягких покрытий на сопрягаемые поверхности деталей машин можно решить лишь проблему повышения износостойкости, но не усталостной прочности или контактной выносливости.
Для выявления рациональных областей применения различных способов упрочнения необходимо знать также характер влияния параметров качества поверхностного слоя на то или иное эксплуатационное свойство.
Микрогеометрия поверхностей трения оказывает большое влияние на работоспособность трибосопряжения – чем меньше значения параметра шероховатости Rа поверхностей трения, тем больше вероятность реализации гидродинамического режима смазки. С другой стороны, при граничной смазке слишком гладкие поверхности могут привести к повышенному молекулярно-механическому изнашиванию – адгезии, схватыванию и даже задиру. В процессе приработки происходит постепенный переход к установившейся равновесной (эксплуатационной) шероховатости. По данным Суслова А.Г. несущая способность поверхности при неизменных Ra* и Rmax** тем больше, чем меньше расстояние от линии выступов до средней линии Rp и чем больше радиусы скругления вершин и впадин микронеровностей r. При одинаковых Rmax и Rp несущая способность шероховатости тем выше, чем больше Ra. С уменьшением Rmax параметры Ra и Rp уменьшаются, несущая способность шероховатости увеличивается. При аналогичных величинах Ra, Rmax значения Rp, r различны для различных видов обработки.
Несущая способность поверхностей, имеющих одинаковые высотные характеристики шероховатости и объемную твердость, но обработанных различными методами, разная.
Форма и направление штрихов обработки (вдоль или поперек направления трения) также оказывает определенное влияние на трибологический процесс. Так, при граничной смазке и малой высоте неровностей предпочтительней является поверхность со следами обработки, перпендикулярными направлению движения, а при большой шероховатости наименьший износ дают поверхности, на которых следы обработки параллельны движению. Хорошие результаты износостойкости наблюдаются тогда, когда у трущихся поверхностей деталей ТС направление штрихов обработки взаимно перпендикулярны.
Эти эффекты связаны, с одной стороны, с уровнем непрерывности контакта при трении, а с другой – с наличием микрорезервуаров, позволяющих удерживать в зоне трения дополнительные объемы смазочного материала и облегчающих условия трения при жестком режиме. Существуют специальные методы нанесения на трущиеся поверхности регулярного рельефа, т.е. образования микронеровностей, отличающихся большими радиусами впадин, чем полученные при обработке резанием. Например, частично регулярный рельеф можно произвести сатинированием в процессе обработки вращающимися металлическими щетками или методами виброобкатывания, алмазного
* Ra - среднее арифметическое из абсолютных значений отклонений профиля в пределах базовой длины
**Rmax − наибольшая высота профиля – расстояние между линией выступов профиля и линией впадин профиля в пределах базовой длины; выглаживания и др. вариантами поверхностного пластического деформирования.
5.1 Обработка деталей поверхностным пластическим деформированием
Среди всего многообразия методов упрочнения высокой эффективностью и простотой реализации отличаются деформационные методы – обработка поверхностным пластическим деформированием. Эти методы позволяют полнее реализовать потенциальные свойства как углеродистых, так и высокопрочных сталей, создают реальные возможности их применения для деталей с конструктивными и технологическими концентраторами напряжений.
При ППД: отсутствуют термические дефекты и шаржирование обрабатываемой поверхности абразивом; обеспечивается минимальная шероховатость поверхности с благоприятной формой микронеровностей и большой долей опорной площади; создаются сжимающие остаточные напряжения, плавно и стабильно повышается микротвердость поверхностного слоя по глубине 1...3 мм. Повышение микротвердости поверхностного слоя может достигать 150%. При обеспечении требуемой шероховатости основное влияние ППД на несущую способность деталей проявляется через наклеп и остаточные напряжения.
При оптимальных режимах обработки долговечность деталей при перегрузках повышается в десятки раз, а предел выносливости в – 1,5...3 раза. Испытания деформационно упрочненных деталей свидетельствуют об уменьшении в 2...4 раза величины износа в условиях трения качения и качения с проскальзыванием, и увеличению в 1,5...6 раз долговечности изделий при контактных циклических нагрузках. ППД – одно из наиболее применяемых и изученных направлений в технологии и в триботехнологии машиностроения. Повышение прочности конструкций (поверхностей) пластическим деформированием проводится для участков материала, наиболее нагруженных в рабочем состоянии. Наклеп поверхностных слоев металла уменьшает смятие и истирание поверхностных слоев, препятствует развитию совместной пластической деформации трущихся тел, и тем самым уменьшает вероятность их схватывания при трении. Кроме упрочнения поверхностных слоев, ППД часто используют в качестве чистовой обработки деталей.
При ППД в поверхностном слое материала деталей протекает целый ряд взаимосвязанных явлений: многократные пластические и упругие деформации, изменение прочностных и пластических свойств материала, трение, изнашивание и тепловые процессы, изменение микро- и макроструктуры, микрогеометрии поверхности и др.
При обработке поверхностей деталей методами ППД вследствие трения и пластического деформирования металла происходит нагрев инструмента и обрабатываемой детали. Значительный нагрев обрабатываемого металла может вызвать термопластические деформирования, структурные изменения и другие явления, снижающие эффект ППД. Так, термопластическое деформирование приводит к снижению величины остаточных сжимающих напряжений, а в некоторых неблагоприятных случаях к их полному исчезновению и даже возникновению растягивающих напряжений.
Возникновение от теплового воздействия новых структур в деформированном объёме металла снижает эксплуатационные свойства поверхности, т.к. стыки структур являются концентраторами напряжений, что приводит к зарождению усталостных трещин.
Для предотвращения отрицательного влияния повышенного нагрева металла на эффективность обработки поверхностей методами ППД устанавливают такие давления и скорости обработки для конкретных материалов, которые не вызывают повышения температуры поверхности смазочно-щхлаждающие технологические среды.
При обработке материалов методами ППД в его поверхностном слое происходят сложные структурные и фазовые превращения. На начальной стадии обработки происходит дробление зёрен металла (сплава) на блоки (субзёрна) и образуется мозаичная структура. Последующее деформирование материала приводит к ещё большему дроблению зёрен, происходит сплющивание кристалликов и их вытягивание в направлении деформирования. В конечном итоге образуется ориентированная структура волокнистого характера с анизотропными механическими свойствами –пластичность, например, вдоль волокон меньше, чем в поперечном направлении.
Под действием внешних нагрузок деталь деформируется, т.е. меняет размеры и форму. Добиться больших пластических деформаций в процессе нагружения детали из конструкционных сталей при комнатной температуре не удается из-за разрушения детали. При деформировании же детали в горячем состоянии пластические деформации могут оказаться значительными без нарушения сплошности детали. Горячее деформирование благоприятно еще и тем, что проходящая при высоких температурах рекристаллизация снимает остаточные напряжения, возникающие при пластическом деформировании.
Указанные свойства пластических деформаций лежат в основе многих распространенных способов восстановления деталей после их износа: правка, рихтовка, наклеп. При наличии специального оборудования можно достичь больших пластических деформаций обжатием, вытяжкой, раскаткой, термопластическим восстановлением.
Перечисленные методы восстановления не требуют затрат материалов. Иногда это оказывается определяющим фактором, если речь идет о восстановлении деталей, изготовленных из дефицитных дорогостоящих материалов.
Термины и определения основных понятий, применяемых в области обработки деталей ППД установлены ГОСТ 18296. В соответствии с указанным стандартом различают следующие методы обработки ППД: накатывание, упрочняющее накатывание, сглаживающее накатывание, формообразующее накатывание, калибрующее накатывание, ударное накатывание, вибрационное накатывание, поверхностное обкатывание, поверхностное раскатывание, поверхностное дорнование, поверхностное редуцирование (ППД при поступательном скольжении фильера по охватываемой им поверхности деформируемого материала), обработка дробью, дробеабразивная обработка, галтовка (гидравлическая вибрационная), вибрационная ударная обработка, гидравлическая гидроударная обработка, ударно-барабанная обработка, центробежная обработка, обработка механическими щетками, чеканка (ППД при возвратно-оступательном относительном перемещении инструмента и деформируемого материала), рельефная чеканка (чеканка при которой на деформируемом материале образуются рельефные изображения), выглаживание (ППД при скольжении инструмента по локально-контактирующей с ним поверхности деформируемого материала), вибровыглаживание.
ППД может быть совмещенным и комбинированным. Совмещенное ППД заключается в одновременной обработке поверхности материала несколькими методами. Например, ударное накатывание совмещает в себе накатывание и ударную чеканку. Комбинированное ППД заключается в последовательной обработке поверхностного слоя материала несколькими методами. Например, формообразующее накатывание (резьбы, шлицев и т.д.) с последующим упрочняющим накатыванием (обкатыванием, раскатыванием), обработкой дробью и др.
Шары и ролики, применяемые для ППД, изготавливают из подшипниковых сталей ШХ15, ШХ15СГ, ШХ20СГ, 18ХГТ, 20Х2Н4ВА, инструментальных Р9, Р18, ХВГ, в некоторых случаях – из коррозионностойких сталей 11Х18М, 95Х18 (59...61 HRCэ) и теплоустойчивой вольфрамованадиевой стали 8Х4В9ФГ. Материалом ударных и некоторых других инструментов служат инструментальные стали: У10, У10А (61...69 HRCэ) – углеродистые; Р18 (64...64 HRCэ), Р6АМ5 (65...67 HRCэ) – умеренной теплостойкости; Р6М5К5 (65...67 HRCэ), Р9М4К8 (66...69 HRCэ), Р9К5 – повышенной теплостойкости; 2Х6В8М2К8 (51...53 HRCэ), 5Х3В3МФС (51...56 HRCэ) – высокой теплостойкости.
Оправки для калибрования, в некоторых случаях обкатные ролики, гладилки и другие инструменты, изготавливают из твёрдых сплавов ВК8 (87,5 HRА), ВК15 (86 HRА), ВК15М, ВК20К и др.
В качестве рабочих сред при вибрационной обработке используют: кислоту стеариновую техническую С18Н36О2 (ГОСТ 9419), кислоту олеиновую С18Н34О2 (ГОСТ 10475), аэросил SiO2 (ГОСТ 14922), триэтаноламин N(CH2CH2OH)3 (МРТУ 6-02-497), вспомогательные вещества ОП-7, ОП 10 (ГОСТ 8433) и полиэтиленовый эфир октилфенола, водный раствор полимера полиметаллметакрилата (10%-ный), водорастворимый полимер полиакриламид, водный раствор хромпика К2С2Щ7 (2...5 г/л) и др.
При упрочнении дробью применяют масла: трансформаторное (ГОСТ 982), индустриальное И-12А (ГОСТ 20799), приборное МВП (ГОСТ 1805).
В зависимости от метода ППД рекомендуется применять те или иные смазочно-охлаждающие технологические средства. При обкатывании и раскатывании используют в качестве СОТС машинное масло Су (МРТУ 38-1-233), масло Су (50%)+керосин (50%), сульфофрезол (ГОСТ 122), ОСМ-1 (взамен керасино-масляных смесей); при калибровке отверстий в качестве СОТС – масляные продукты ОСМ-1, ОСМ-3, ОСМ-4, ОСМ-5, МР-1У, МР-2, МР-2У и сульфофрезол, твердый смазочный материал АСФ-3 и др.; при центробежной обработке поверхностей функции СОТС выполняет смесь из 60% индустриального масла И-12А, И-20А и 40% керосина.
Выбор метода деформационного упрочнения зависит от марки обрабатываемого материала, требований к свойствам поверхностного слоя, формы и размеров деталей и эксплуатационных условий. Рассмотрим некоторые из них:
Дробеструйная обработка – упрочнение микрошариками (дробью). Данный метод нашел достаточно широкое применение в отдельных отраслях промышленности, например в авиадвигателестроении, в случаях упрочнения тонкостенных деталей, маложестких деталей сложной формы, с тонкими кромками, глубокими пазами, малыми радиусами переходов и др. Диаметр шариков 0,025...5 мм, скорость полета дроби 1…100 м/с; достигается 8-9 класc шероховатости (8 класс Ra = 0,63; 0, формируются значительные сжимающие напряжения. Конструктивно установки для упрочнения микрошариками выполняются аналогично установкам для гидрогалтования. На промышленных установках частоты вращения ротора дробомета составляет 3600 мин-1, расстояние до упрочняемой детали порядка 160 мм, время упрочнения 10...60 с.
Количество дроби, одновременно участвующей в процессе наклепа поверхности детали (6 кг/мин на гравитационной установке, 1400 кг/мин на гидродробеструйной установке). Недостатками упрочнения сухой дробью являются высокая мгновенная температура (до 600 оС) в местах удара дроби и более низкие параметры шероховатости обработанной поверхности по сравнению со способами, в которых используется СОТС.
Дробеструйная обработка выполняется в пневмо-, гидро- и пневмогидродробеструйных установках. В основе процесса лежит пластическое деформирование поверхностного слоя под действием кинетической энергии потока дроби (стальными шариками).
Дробеструйная обработка способствует повышению усталостной прочности за счет устранения концентраторов напряжения: места прилегающие к отверстию при его формировании, радиусы переходов, канавки, галтели, поднутрения, заусенцы и др.
Эффективность дробеструйного упрочнения, как средства повышения сопротивления усталости зависит от глубины упрочненного слоя и определяется кинетической энергией дроби и длительностью обработки. В результате ударного воздействия шариков (дроби) поверхность детали покрывается многочисленными лунками-кратерами, которые, в целом ухудшая шероховатость поверхности, одновременно упрочняют поверхностный слой и устраняют поверхностные дефекты от механической обработки в виде царапин, рисок, наплывов, вырывов, трещин, прижогов и др.
Гидродробеструйная обработка. Принцип ее действия основан на эжекции. Такое оборудование широко применяется для поверхностного упрочнения лопаток компрессора. Детали, закрепленные на валу, совершают вращательное (10...50 мин-1) и возвратно-поступательное (10...100 мм/мин) движения относительно форсунок. Форсунки эжекторного типа расположены под обрабатываемой деталью на расстоянии 100...300 мм от оси вращения деталей. При давлении воздуха ∼105 Па в пневмогидродробеструйных установках или СОТС в гидродробеструйных установках в эжекторе создается разрежение. Стальная дробь вместе с СОТС через заборные окна попадает в сопло и под давлением направляется на деталь. В камере, разделенной на две части, специальная сетка отфильтровывает изношенные шарики.
Пневмогидроструйная обработка. Основными параметрами рассматриваемого метода являются давление воздуха (или СОТС), материал и размер шариков, расстояние обрабатываемой детали от среза сопла, удельная загрузка шариков в камеру.
Обрабатываются таким образом детали из алюминиевых и титановых сплавов, стали, сварные конструкции, такие как шестерни, цапфы, диски, валы, трубопроводы, кронштейны и др.
Максимальные габаритные размеры упрочняемых деталей достигают 600х2500 мм.
Упрочнение раскатыванием. По принципу исполнения, технологическим режимам и характеру используемого инструмента тора, определяющего возможность применения раскатывания, является диаметр отверстия. Как правило, он должен быть не менее 30 мм.
Раскатывание применяют после получистового и чистового растачивания с припуском не более 0,2 мм на диаметр, при этом уже за один проход шероховатость поверхности улучшается на 2-3 порядка.
Жесткие инструменты-раскатники обеспечивают 9-11 классы шероховатости (9 класс Ra = 0,32; 0,025; 0,016, 10 класс Ra = 0,16; 0,125; 0,080 мкм, 11 класс Ra = 0,080; 0,063; 0,040 мкм).
Раскатывание производят на токарных, расточных или сверлильных станках; частота вращения шпинделя колеблется в пределах 100...400 мин-1; подача 0,1...0,3 мм/об, число проходов 1-2, СОТС − масло индустриальное И-12А, И-20А, натяг 0,01...0,15 мм (разность диаметров инструмента и отверстия до обработки). Применение раскатывания целесообразно во всех видах производств; это обусловлено тем, что упрочнение детали, достижение требуемой точности и класса чистоты осуществляется при меньших затратах, чем при других видах обработки.
Раскатывание роликами и шариками успешно применяют при обработке корпусных деталей агрегатов, гидро- и пневмоцилиндров двигателей, плунжерных пар и других деталей.
Способ дорнования применяют в случае малых диаметров, когда раскатывание применить невозможно: через отверстие протягивают инструмент в виде шара или дорна. Диаметр инструмента несколько больше диаметра детали. Основным параметром, определяющим процесс обработки, является натяг. Величины натяга зависят от материала и конструкции детали, величины требуемого упрочнения, конструкции инструмента. Обработка отверстий шариком обеспечивает шероховатость Ra = 0,080; 0,063; 0,040 мкм (11 класс). В качестве СОТС применяют индустриальные масла; скорость дорнования колеблется в пределах 2...8 м/мин. Дорнование является высокопроизводительным процессом, обеспечивающим высокое качество поверхностей и повышение долговечности деталей в 1,5...2 раза.
Упрочнение обкатыванием. Процесс обработки обкатыванием осуществляется перемещением по поверхности детали инструмента в виде ролика или шарика под определенным давлением. Применяют упрочняющие и упрочняюще-сглаживающие режимы обкатки. Цель упрочняющих режимов – получить наибольшее по глубине и величине упрочнение; цель упрочняюще-сглаживающих режимов – достижение высокого класса шероховатости (до 11-го класса Ra = 0,080; 0,063; 0,040 мкм).
Приспособления для упрочнения обкатыванием могут иметь механический или пневмогидравлический привод. Диаметр ролика рекомендуется выбирать из зависимости 0,5 < dp/d < 5 где dp – диаметр ролика; d – диаметр детали. Радиус рабочего профиля инструмента R = (0,5...0,75) dp. Необходимо учитывать, что чем меньше dp и R, тем больше глубина деформационного упрочнения и меньше шероховатость поверхности.
Ролики изготавливают из инструментальных сталей, обеспечивающих твердость не ниже 60 НRCэ. Режим обкатки (давление, подача, скорость, число проходов, СОТС, и др.) и геометрия инструмента определяют интенсивность, качество упрочнения и технико-экономическую целесообразность.
Выглаживание осуществляется в условиях трения скольжения, что существенно отличает этот процесс от обкатывания.
Алмазное выглаживание. При упрочнении деталей с цилиндрическими поверхностями наиболее целесообразным является метод алмазного выглаживания. Универсальный выглаживатель состоит из оправки и алмаза. В этом случае деформирующим инструментом является кристалл алмаза, закрепленный в специальной оправе пайкой серебряным припоем. Упругий контакт при обработке создается тарированной пружиной приспособления. Высокая твердость алмаза, низкий коэффициент трения по металлу, высокий класс чистоты поверхности алмаза позволяют получать поверхности деталей с зеркальным блеском и высокой точностью. Выглаживание осуществляется с малыми общими усилиями 50...300 Н, что позволяет упрочнять тонкостенные детали.
Процесс алмазного выглаживания не требует припуска, так как изменение диаметра незначительно и не превышает 0,005 мм.
В качестве примера можно привести следующие условия деформационного упрочнения сталей, медных сплавов: радиус сферы наконечника 0,5...3,5 мм, радиальное усилие 100...250 Н, скорость выглаживания 40...200 мин-1, подача 0,03...1 мм/об, число проходов 1-2, среда – масло веретенное. Алмазное выглаживание реализуется на универсальных токарно-винторезных станках с помощью несложных приспособлений. В результате выглаживания достигаются следующие свойства поверхностей: Ra 0,040; 0,032; 0,020 мкм (12 класс шероховатости), твердость повышается на 40...60%, формируются сжимающие напряжения. Упрочнению может быть подвержена широкая номенклатура деталей и материалов: шпиндельные узлы высокоточных станков, беговые дорожки подшипников, гильзы, ролики подшипников, поршни, золотники, валы (стали 45, 20Х, 40Х, 35ХН, 30ХГСА, ШХ15, 40ХНМА, бронзы, алюминиевые сплавы и др.). Алмазному выглаживанию подвергаются также покрытия (хромовые, никелевые и др.).
Виброгалтование осуществляется на инерционных дисбалансных установках. В контейнере крепятся детали, который совершает возвратно-поступательное движение в двух или трех плоскостях. Контейнер наполняется рабочей жидкостью и упрочняюще-обрабатывающими элементами (в виде стальных шариков, керамических гранул различной конфигурации и др.) Вибрации возникают при вращении вала, на котором установлены дисбалансные грузы. Реверсирование двигателя вибратора осуществляется через определенные промежутки времени.
Перемещающиеся упрочняюще-обрабатывающие элементы, ударяясь о поверхность детали, пластически деформируют ее, упрочняют и сглаживают неровности. При этом следует отметить, что эффективность упрочнения зависит не столько от величины абсолютных амплитуд колебаний вибросистемы, сколько от относительных виброперемещений упрочнителя и детали.
В авиадвигателестроении виброгалтование широко применяется при упрочнении деталей типа лопаток компрессора, сепараторов подшипников, дисков компрессоров, зубчатых колес и др. В промышленности известны установки, на которых одновременно обрабатывается до 200 лопаток компрессоров с длиной пера 50...100 мм; в текстильном машиностроении для полирования прядильных колец и др. деталей массового производства.
Вибрационное выглаживание. Кардинальным решением вопроса проблемы оптимизации геометрических параметров микрорельефа поверхностей по условиям эксплуатации деталей является переход от шероховатых поверхностей к упорядоченным неровностям поверхностей.
Это достигается регуляризацией микрорельефа травлением через трафареты или вибронакатыванием. Второй метод оказался более простым, технологически универсальным. Преимуществом метода является то, что выбор варианта микрорельефа (по условиям эксплуатации) осуществляется не за счет сменных копиров, а путем изменения соотношения скоростей движения инструмента и заготовки. Виды регулярных микрорельефов стандартизированы.
Многочисленными исследованиями и промышленными испытаниями установлено, что зависимости параметров микрорельефа от эксплуатационных свойств нелинейны. При чрезвычайно большом числе реально эксплуатируемых поверхностей деталей, задача выбора варианта микрорельефа усложняется. В настоящее время основным методом нормирования регулярных микрорельефов является экспериментально-аналитические методы на основе реализации многофакторного эксперимента.
Технологическое обеспечение параметров микрогеометрии микрорельефа тесно связаны с геометрическими свойствами инструмента, детали и кинетикой процесса вибронакатывания [45].
Испытания и эксплуатация целого ряда деталей, поверхности которых были выполнены на финишном этапе вибронакатыванием, показывают, что значительно улучшились эксплуатационные свойства: повысились контактная жесткость, прочность неподвижных соединений, сопротивление ползучести, усталостная прочность, коррозионная стойкость, гидроплотность, склеиваемость, плавность хода в пазах трения, сопротивляемость фреттинг-коррозии; в ряде случаев удалось исключить нанесение специальных покрытий, в том числе из драгоценных металлов, исключить термообработку и др.
К числу деталей, проблема долговечности которых может быть решена путем регуляризации микрорельефа, могут быть отнесены патрубки воспламенителя, втулки, кольца уплотнительные, втулки бандажные, гильзы, кольца, направляющие замки и др.
5.2 Электрохимические покрытия
Электрохимическое нанесение покрытия подразделяется на электрофоретическое, электролитическое, нанесение композиционных электролитических покрытий и анодирование.
Электрофоретическое нанесение покрытий в отличие от электролитического, сопровождается протеканием в жидкой среде электрохимических процессов. Получаемый слой покрытия пористый и структурно непрочный. Для его упрочнения применяют смолы и полимеры, после чего покрытые детали подвергают дополнительной прессовке и спеканию. Плотность повышается до 97%, а при горячем изостатическом прессовании получают беспористые покрытия.
Электролитическое нанесение покрытий – метод нанесения покрытий, реализуемый в гальванической ванне при протекании тока через электролит между анодом (наносимый материал) и катодом (обрабатываемый материал – деталь). Гальваническими защищяющими покрытиями называют металлические покрытия, наносимые на поверхность деталей электрохимическим путем из электролита, содержащего в своем составе ионы металла требуемого покрытия.
Гальванические покрытия по виду защитного действия подразделяются на анодные и катодные. Процесс ведётся при невысоких температурах (20…100 °С) и достаточно больших плотностях тока (от сотен до тысяч А/м2).
Известно, что при соприкосновении двух металлов в присутствии электролита (влажной среды) образуется гальваническая пара, в которой более электроотрицательный металл становится анодом и растворяется, а менее электроотрицательный – катодом. На этом основании, если металлопокрытие является более электроотрицательным, защитное покрытие называется анодным; если металл покрытия менее электроотрицателен – катодным. При катодном покрытии осажденные металлы имеют значительную пористость, поэтому как защитное покрытие от коррозии наносится большей толщиной, чем анодное. Пористые покрытия предпочтительны в качестве износостойких – лучше удерживают на поверхности смазочный материал.
Процесс нанесения покрытий электролитическим способом включает три этапа:
- подготовку поверхности детали,
- осаждение покрытий,
- обработку нанесенного покрытия.
Подготовка поверхности детали к покрытию включает механическую обработку (пескоструйная обработка, галтовка, шлифование, полировка и др. – в зависимости от назначения покрытия); обезжиривание механически обработанной поверхности растворителями: бензином, уайт-спиритом, ацетоном и др., химическим или электролитическим обезжириванием в растворах щелочей и др.; декапирование (анодная обработка детали) – снятие окисных пленок, образующихся во время обезжиривания, промывка для обнажения структуры металла детали.
В настоящее время применяют следующие виды электрохимических нанесений покрытий (в зависимости от наносимого металла): цинкование, никелирование, хромирование, кадмирование, железнение, меднение, алюминирование и др.
Рассмотрим основные виды электролитических покрытий.
▪ Холодное цинкование – это нанесение специального цинкосодержащего состава (например ЦИНОЛ, ТУ 2313-012-12288779-99) на подготовленную поверхность способами, применяемыми для обычных красок, в результате чего образуется покрытие, обладающее такими же антикоррозионными свойствами, как и покрытие, полученное методом горячего цинкования (горячее цинкование – см.разд.5.11,
Термодиффузионное насыщение поверхностей трения деталей металлами). По своей физической природе холодное цинкование такой же электролитический процесс, но для его проведения не требуется гальваническая ванна. Для холодного цинкования, особенно в стадии первоначального формирования покрытия более характерен протекторный тип защиты, так как оно имеет определенную пористую структуру, через которую возможен доступ влаги к поверхности стали, приводящий к образованию электрохимической пары цинк – железо. В процессе дальнейшей эксплуатации происходят уплотнение структуры покрытия и переход его защитного действия от протекторного к барьерному.
Высокие противокоррозионные свойства цинка при нанесении его на железо обусловлены тем, что цинк имеет электрохимический потенциал ниже, чем железо (минус 760 и минус 440 мВ соответственно), поэтому в электрохимической паре цинк – железо, возникающей в присутствии воды (влаги), цинк выполняет роль анода и растворяется, а металлическая подложка (железо) – роль катода:
Рисунок 5.3 – Коррозионное разрушение цинка
в гальванической паре Zn/Fe
Zn – 2e ↔ Zn2+;
H2O + 1/2O2 + 2e ↔ 2OH-,
в результате чего имеет место пассивация стали за счет подщелачивания. Ионы цинка реагируют с диоксидом углерода, находящимся в воздухе, что сопровождается образованием плотных слоев нерастворимых карбонатов цинка, тормозящих дальнейшее развитие коррозионного процесса.
Из перечисленных свойств цинка следует, что при нанесении на железо цинк защищает его как по барьерному (изоляционному) типу (что более характерно для горячего цинкования, где цинк сразу образует сплошное влагонепроницаемое покрытие), так и по электрохимическому (протекторному) типу, где цинк, в присутствии влаги выполняя роль анода по отношению к железу, расходуется для его защиты, а образующиеся при этом соединения цинка «залечивают» дефекты покрытия, предотвращая коррозию железа. Преимущества холодного цинкования перед горячим в том, что реализуется возможность эластичного покрытия, выдерживающего как механическую деформацию, так и термическое расширение и сжатие в широком диапазоне температур. Цинком покрывают пружины, втулки, шайбы, винты, болты, лист проката и др.
▪ Электролитическое никелерование деталей. Никель-фосфорные покрытия применяют для упрочнения и восстановления изношенных деталей: шпинделей металлообрабатывающих станков, коленчатых валов, поршневых пальцев, гильз цилиндров и др.
Режим электролиза: плотность тока 1000 А/м2, температура 75...80 оС. Микротвердость никелевых осадков 5500...6500 МПа. Для повышения твердости никелевых покрытий в электролит вводят гипофосфит натрия и фосфорную кислоту. Термическая обработка никель-фосфорных покрытий (нагрев до 350...400 оС и выдержка в течение часа) позволяет увеличить их твердость до 68 HRCэ. При толщине 25...30 мкм эти покрытия практически не имеют пор. Коэффициент трения никель-фосфорных покрытий по чугуну и стали на 30% ниже, чем у хрома, по тем же материалам.
▪Хромирование применяют для повышения износостойкости деталей двигателей внутреннего сгорания, металлообрабатывающих станков, насосов нефтегазового оборудования, пневматических инструментов, челноков швейных машин, рифленых цилиндров промышленных машин и др. Хромирование значительно повышает износостойкость: режущего инструмента в 2…3 раза, контрольно-измерительного инструмента в 5…10 раз, деталей станков в 4…5 раз, поршневых колец тракторных двигателей в 2…4 раза и сопряженных с ними гильз цилиндров – в 1,5 раза.
Микротвердость электролитического хромового покрытия зависит от состава электролита, режимов электролиза и составляет 1200…12400 МПа.
Коэффициент трения электролитического хромового покрытия зависит от температуры. Особенно резкое снижение износостойкости этих покрытий наблюдается при нагреве более 400оС.
▪ Кадмиевые покрытия применяют в следующих случаях: - для защиты от коррозии деталей, работающих в условиях морской атмосферы и в средах, содержащих хлориды;
- для защиты деталей, работающих в закрытых помещениях с большой влажностью;
- для защиты от коррозии деталей, через которые проходит электроток.
Кадмиевые покрытия быстро разрушаются при контакте со смазочными материалами: бензином, пластмассовыми деталями, выделяющие водород и другие газообразные продукты.
▪ Железнение – метод электролитического осаждения железа при изготовлении и восстановлении изношенных поверхностей деталей. Эти покрытия по некоторым физико-механическим свойствам сравнимы со среднеуглеродистой сталью. Железнение проводят в хлористых электролитах. Микротвердость покрытия − 2500…6500 МПа. Применение указанного метода позволяет получать плотные мелкозернистые пленки толщиной 1…1,5 мм (твердые) и до 3…5 мм (мягкие).
Нанесение композиционных электролитических покрытий. Для повышения износостойкости покрытий используют порошки карбидов, боридов и др., а для улучшения антифрикционных свойств вводят халькогениды, графит, полимеры. Технология электролитического осаждения позволяет получать покрытия с содержанием антифрикционных частиц до 40% и толщиной до 1000 мкм.
Чаще всего для получения композиционных электролитических покрытий используют: карбиды – WC, TiC, ZnC, HfC, SiC, B4C; бориды ТiB2, ZnB2, HfB2, TaB; силицид – ТаSi2; нитриды – ВN, Si3N4; оксиды – Аl2O3, Cr2O3, SiO2, ThO2; сульфиды – МоS2, WS2.
Одновременное введение в покрытие частиц высокой твердости и частиц твердых смазочных материалов повышает как их износостойкость, так и антифрикционные свойства.
Анодирование – метод создания на поверхности металлической детали оксидной пленки с помощью электролиза. Анодом в данном случае служит деталь. Этим методом проводят упрочнение поверхностей трения и восстановление изношенных деталей. Анодирование применяют для защиты магниевых сплавов от коррозии, повышения антифрикционных свойств титановых сплавов. Наиболее же часто анодирование применяют для обработки деталей из алюминия и его сплавов в машиностроении, авиационной и ракетной технике, в приборостроении и др.
С помощью анодирования на поверхности деталей можно создать оксидные пленки толщиной 1...200 мкм. Оксидные пленки, полученные электролитическими методами в процессе глубокого оксидирования, имеют обычно толщину около 60 мкм и микротвердость 4000...4500 МПа.
Оксидированная поверхность обладает высокой износостойкостью, пористостью и рыхлостью, малой контактной жесткостью, однако требует дополнительной обработки для снижения шероховатости и повышения усталостной прочности.
Анодированные покрытия обладают следующими свойствами:
- хорошее сцепление с поверхностью детали;
- высокой твердостью;
- жаростойкостью;
- повышенной стойкостью к атмосферным воздействиям;
- способностью пропитываться различными составами (маслами) и окрашиваться в водных растворах органических красителей.
К недостаткам оксидных покрытий относятся их высокая хрупкость, способность к развитию трещин при деформации деталей, которые снижают антикоррозионные свойства покрытий.
Наряду с повышением износостойкости, например, деталей из алюминиевых сплавов, толстая оксидная пленка, нанесенная электрохимическим способом, обладает хорошими электро- и теплоизоляционными свойствами. Это позволяет применять детали, подвергнутые анодированию, в условиях изнашивания при высоких температурах. Кроме того, высокая износостойкость поверхностей деталей, покрытых оксидной пленкой, позволяет применять алюминий и его сплавы вместо сталей для облегчений конструкций, например, в авиа- и ракетостроении.
Анодирование используют наряду с железнением и хромированием при восстановлении деталей из алюминия и его сплавов в процессе ремонта машин и механизмов. Применяют этот вид электрохимической обработки для повышения долговечности гидравлических и пневматических цилиндров и сопряженных с ними поршней, лопаток газовых турбин и др.
Следует заметить, что оксидирование может осуществляться не только электрохимическим способом (анодирование), но и химическими способами.
Полученная при химическом оксидировании пленка электропроводна и имеет толщину 0,5...1 мм. Ее твердость меньше, чем полученная при анодировании.
5.3 Процесс микродугового оксидирования
Упрочнение при микродуговом оксидировании является результатом электроплазмохимического преобразования поверхностного слоя в многофазную оксидную керамику, обладающую хорошей износостойкостью и теплостойкостью.
Алюминий, титан и их сплавы, являясь перспективными материалами в различных областях техники, имеют ряд недостатков: низкий модуль упругости, недостаточная износостойкость и коррозионная стойкость. Их устранение возможно применением технологий, формирующих на поверхности деталей защитный слой. Одним из вариантов таких покрытий является оксидный слой, который обладает высокими твердостью и упругими характеристиками. Из общего числа технологий формирования оксидного слоя наиболее производительным является процесс микродугового оксидирования, который представляет собой создание на поверхности деталей микродуговых разрядов, приводящих к разложению электролита, высвобождению из него атомарного кислорода, который, диффузионно внедряясь в поверхностный слой, приводит к окислению металла.
Наиболее часто рост оксидного слоя протекает через стадии:
- анодного оксидирования в безыскровом режиме;
- искрового оксидирования;
- микродугового оксидирования;
- дугового оксидирования.
Переход от одной стадии процесса к другой обусловлен перестроением структуры оксидного слоя.
При оксидировании в безыскровом режиме объемный заряд сосредоточен преимущественно на границе металлоксидный слой, в области барьерного слоя.
Переход в режим искрения сопровождается электрическим пробоем анодного оксида и его частичным разрушением. Сочетание процессов электрического пробоя барьерного слоя и плазмохимического образования расплавленного оксида в местах пробоя приводит к утолщению первичного барьерного слоя и перемещению зоны объемного заряда в глубь покрытия.
Смещение зоны объемного заряда в глубь покрытия переводит процесс в микродуговой режим, при котором микроплазменные разряды не достигают границы металл-оксид. Рост оксидного слоя осуществляется за счет диффузии металла через слои оксида в зону объемного заряда и встречного движения частиц электролита под действием поля в зону разряда.
Скорость роста внутренних (до зоны объемного заряда) и внешних слоев покрытия различается. С большей скоростью обычно наращиваются внешние слои. Это приводит к изменению как вентильных свойств покрытий (вентильный эффект – проводимость в одном направлении, например на границе металл-электролит на несколько порядков выше, чем в обратном), так и условий для теплоотвода из зоны микроплазменного разряда. Следствием этих процессов может явиться тепловой пробой зоны объемного заряда, сопровождающийся разрушением покрытия зачастую на всю толщину. Процесс переходит в дуговой режим.
Для повышения износостойкости покрытий следует проводить процесс в микродуговом режиме, обеспечивая рост внутренних слоев покрытия и включая в электролит частицы, способные образовывать оксиды с низким коэффициентом теплопроводности или оксиды, смешанные с оксидами материала основы.
Технология и параметры анодного оксидирования:
Изделие или заготовку из алюминия или его сплавов помещают в ванну с электролитом и подводят ток на электроды, один из которых закреплен на заготовке, другой – на внутренней поверхности ванны. При взаимодействии электрического тока, электролита и поверхностного слоя заготовки происходит окисление алюминия с образованием оксида Аl2O3.
Оксидирование проводят в кислых, нейтральных и щелочных растворах, что обеспечивает разные свойства покрытий, сообразно природе электролита. Прочие условия его получения (концентрация раствора электролита, напряжение, вид и плотность тока, температура и продолжительность процесса), условия промывки, консервация и дополнительная обработка позволяют их варьировать. На рисунке 5.4 показано влияние продолжительности процесса (t) на толщину покрытия (h), на котором выделены характерные области анодного процесса: 1 – анодное оксидирование в безыскровом режиме; 2 – искровое оксидирование; 3 – микродуговое оксидирование; 4 – дуговое оксидирование. Наиболее интенсивный рост толщины покрытия наблюдается на 2 и 3 этапах процесса оксидирования.
Рисунок 5.4 – Влияние продолжительности процесса МДО
на толщину покрытия
Известно, что оксид алюминия обладает не только высокой твердостью, но и большим модулем упругости, который составляет около 430000 МПа.
Это открывает возможность использовать полученные МДО покрытия для создания композиционных материалов с повышенными упругими характеристиками. Однако получение таких материалов ограничивается относительно небольшой толщиной формируемого покрытия (до 120…150 мкм), так как дальнейшее увеличение толщины приводит к образованию пористости и связанной с ней хрупкости.
Данные испытаний износостойкости материалов с покрытиями и без них, полученные методом микрометрирования, свидетельствуют о повышении износостойкости алюминиевых сплавов после оксидирования
(таблица 5.1).
Таблица 5.1
Марка Время Износ, мкм
сплава испытания, ч с покрытием без покрытия
АДО 60 26 230
АМг3 60 34 220
Д16 60 50 210
При эксплуатационных испытаниях ряда изделий текстильной промышленности (нитеводители, шкивы, нитеформирующие, лентоформирующие и уплотнительные воронки) установлено многократное повышение ресурса за счет увеличения твердости и износостойкости оксидированных деталй.
Так, например, формирующая поверхность ротора прядильного блока подвержена интенсивному износу, дисбалансу, радиальному биению и усталостному разрушению поверхности, собирающей волокна. Метод оксидирования устраняет указанные виды изнашивания и повреждения.
Комплексными исследованиями установлена возможность получения изделий с новыми функциональными свойствами полученных МДО и расширения области их применения в следующих направлениях: повышение износостойкости в 5...6 раз; коррозионной стойкости материалов в различных средах; упругих характеристик материала в зависимости от соотношения толщины покрытия и основного материала.
5.4 Напыление износостойких покрытий
В настоящее время технологии напыления доведены до достаточно высокого технического уровня. В качестве напыляемого материала могут использоваться практически все материалы, существующие в твердом виде, которые в процессе напыления не испаряются и практически не изменяют свои физико-химические свойства.
Напыляемые материалы применяют в виде проволоки, прутков и порошка. Проволоку и прутки применяют при газовом, дуговом и электроимпульсном напылении; порошки – при плазменном, газоплазменном, детонационном напылении.
Напыление состоит в образовании покрытия путем динамического осаждения на основном материале расплавленных или оплавленных капель или частиц напыляемого материала, образующего при нагреве порошка, расплавленной проволоки или прутка различными источниками нагрева.
Разнообразие способов напыления обеспечивает получение покрытий, значительно отличающихся по своим свойствам. На процессы напыления оказывают влияние следующие факторы: метод и технология напыления; скорость и температура напыляемого материала; размеры и форма частиц напыляемого порошка, диаметр проволоки или прутка; плотность, удельная теплоемкость, теплопроводность напыляемых материалов, степень их расплавления; химические реакции между частицами напыляемых материалов и окружающей среды, их химическая активность по отношению к материалу основы и др.
При любом способе напыления поверхность основного материала располагают обычно на расстоянии не менее 100 мм от среза сопла горелки. Покрытие образуется из отдельных расплавленных или близких к этому состоянию частиц, которые с расчетной скоростью соударяются и наслаиваются на поверхность основы.
При столкновении с поверхностью основного материала или ранее нанесенного покрытия частицы расплющиваются, образуя тонкий слой, механически сцепленный с поверхностью основного материала или покрытия.
При напылении металла скорость охлаждения частиц составляет 106...108 оС/с, а при напылении керамики – 104...106 оС/с, поэтому кристаллизация жидких частиц завершается в течение ничтожно малого промежутка времени. Прилепание частиц осуществляется посредством их механического сцепления с макровыступами подложки и через места разрушения оксида подложки. В местах разрушения оксидных пленок происходит сплавление металлических частиц с подложкой. В процессе наложения частиц друг на друга среди расплавленных попадаются и не полностью расплавленные частицы. Кроме того, внутри покрытия возникают заполненные газом зазоры и пустоты, количество которых определяет пористость покрытия.
Любой способ напыления предполагает движение нагретых до жидкого состояния частиц в газовой струе от среза сопла горелки до поверхности основного материала.
В зависимости от источника тепловой энергии, используемой для нанесения покрытия, различают две технологические разновидности напыления:
- источником тепловой энергии служит смесь горючего газа и
кислорода;
- источником тепловой энергии служит электрический ток.
К 1-й группе относятся газопламенное и детонационное напыление, ко 2-й – электродуговое, высокочастотное и плазменное напыления.
Газопламенное (газотермическое) – нанесение покрытия в виде мелких частиц расплавленного металла, керамики, пластмассы и др. струей газа из специальной горелки. Напыление применяют для повышения износостойкости деталей металлорежущих станков: направляющих станин, валов, различных конструкций; деталей автомобильных двигателей, например, чугунных коленчатых валов. Толщина покрытия до 3 мкм, твердость поверхности выше твердости исходного материала, пористость около 15%.
Основными достоинствами нанесения покрытия газопламенным методом являются: высокая производительность процесса (до 10 кг/ч); низкая стоимость и портативность используемого оборудования. Недостаток – поверхностный слой не выдерживает ударных нагрузок и разрушается при объемной деформации детали. Технологическая схема порошкового газопламенного напыления приведена на рисунке 5.5.
Плазменное напыление применяют в химическом и нефтяном машиностроении для защиты поверхностей трения (узлы специальной арматуры, гильзы, плунжеры насосов и др.) от гидроабразивного, эрозионного, эрозионно-абразивного и коррозионного изнашивания.
Рисунок 5.5 – Технологическая схема порошкового
газопламенного напыления
Плазменное нанесение покрытий из тугоплавких порошковых материалов осуществляется плазменной струей с помощью специальной горелки – плазмотрона. Прочность сцепления покрытия 40...50 МПА, твердость 34…67 НRCэ, износостойкость при работе со смазочным
материалом в 1,5...2 раза выше исходного материала. Покрытие из окислов
алюминия, циркония, титана, хрома и др. позволяют повысить
жаропрочность. Для повышения износостойкости деталей используют
осаждение вещества из плазменной среды в условиях катодно-ионной
бомбардировки в глубоком вакууме. Для закаленных и цементированных
сталей с температурой отпуска не менее 250 оС рекомендуются покрытия
из нитрида хрома, для закаленных сталей с температурой отпуска не ниже
450 оС, для твердых сплавов применяют покрытия из карбида и нитрида
титана. Покрываемая поверхность имеет шероховатость Rа ≤ 1,25 мкм.
Шероховатость после покрытия не изменяется. Режущий инструмент из
твердых сплавов покрывают одним или несколькими слоями карбида или
нитрида титана, гафния, циркония, окиси алюминия и др. толщиной 1...5
мкм химическим осаждением из газовой фазы при температуре
1000...1200 оС, в результате в 1,5...3 раза повышаются показатели
долговечности инструмента. На поверхности трущихся деталей с
шероховатостью Rа ≤ 2,5 мкм наносят антифрикционные металлические
покрытия для улучшения прирабатываемости и противозадирности.
Покрытия наносят методом трения (диффузии) с использованием в
качестве смазочного материала технического глицерина и флюсов
(хлористого цинка, ортофосфорной кислоты).
Нанесение покрытий из самофлюсующихся сплавов позволяет
увеличить срок службы ТС или отдельных деталей до 6 раз. Нанесение
покрытия плазменным напылением вольфрама или молибдена на
уплотняемые поверхности клиновых задвижек позволяет увеличить их
стойкость до 100 раз. Плазменное напыление двуокисью алюминия и
титана на рабочие поверхности валиков с направляющим пазом для нити
текстильных машин повышает их износостойкость и долговечность в 2...4
раза.
Детонационное напыление – нанесение покрытия (металла, керамики
и др.) за счет выбрасывания его из открытого сопла специальной
установки.
Схема детонационного напыления показана на рисунке 5.6
а) б)
в) г)
1− сопло для подачи кислорода; 2 – водоохлаждаемый ствол;
3 – камера сгорания; 4 – сопло для подачи ацетилена;
5 – основной материал (подложка);
6 – сопло для подачи в камеры сгорания карбида вольфрама с азотом;
7 – покрытие
Рисунок 5.6 – Схема детонацинного напыления
В камеру водоохлаждаемого ствола установки диаметром подается
кислород и ацетилен в строго определенных количествах; ствол
направляется на обрабатываемую деталь (а). Затем через специальное
отверстие в камере азотом подается порошок напыляемого материала,
например карбид вольфрама с добавлением небольшого количества
металла, оксид алюминия и т. п. (б). Газовую смесь, в которой во
взвешенном состоянии находится напыляемый, порошок, поджигают
электрической искрой (в). В результате взрыва смеси происходит
выделение теплоты и образуется ударная волна, которая разогревает и
разгоняет частицы порошка в направлении к поверхности изделия (г).
Азот и горючий газ выходят из ствола установки сразу же после
взрыва, затем ствол продувается азотом для удаления продуктов горения.
Процесс отрегулирован таким образом, что точно повторяется с частотой
3–4 цикла в секунду. За один цикл напыления получают покрытие
толщиной ~6 мкм. Напыление осуществляют до получения покрытия
заданной толщины (0,25...0,3 мм).
Во время взрыва порошковый материал приобретает большую
кинетическую энергию, так что скорость частиц на расстоянии 75 мм от
среза ствола установки составляет ~820 м/с. При размещении поверхности
основного материала на указанном расстоянии порошок в момент
столкновения с поверхностью разогревается до температуры 4000°С.
Высокая скорость движения частиц и их разогрев при детонационном
напылении обеспечивают получение покрытия высокой плотности и
прочности сцепления с основой. При этом температура основного
материала остается низкой, исключающей его деформацию или иное
физическое изменение, что позволяет использовать этот способ напыления
для прецизионных деталей.
Вместе с тем детонационному напылению свойственны недостатки,
связанные, в частности, с возможностью нанесения покрытия только на те
материалы, в которых не возникает остаточная деформация при действии
взрывной волны. Из-за большого шума (до 140 дБ) оборудование для
детонационного напыления устанавливают в камере с двойными стенами, а
наблюдение за процессом осуществляют через смотровое окно. К
недостаткам этого способа относится также относительно высокая
стоимость оборудования
5.5 Нанесение антикоррозионного полимерного покрытия из
порошкового материала
Для защиты металлических конструкций от коррозии применяют
различные антикоррозионные покрытия, в том числе – полимерные.
Антикоррозионные полимерные покрытия должны отвечать
следующим основным требованиям: достаточно хорошей адгезией
покрытий с основой; коррозионной стойкостью покрытий, отсутствием
пористости, механической прочностью. Процесс нанесения покрытий
должен быть технологичен. Покрытия на основе термопластов имеют
большие возможности антикоррозионной защиты химического
оборудования, которое эксплуатируется в условиях воздействия
агрессивных сред, высоких давлений и повышенных температур. К этой
группе относятся наиболее химически стойкие и наименее диффузионно-
проницаемые полимеры: фторопласты, полиолефины, хлорсодержащие
термопласты. Эти материалы также обладают и всеми основными
свойствами защитных покрытий.
Установка напыления порошкового материала представлена на схеме
рисунок 5.7.
1, 2 – компрессор; 3 – дробеструйная установка; 4 – печь;
5 – рессивер; 6 – аппарат осушки воздуха; 7 – электромагнитный
клапан; 8 – дозатор порошка; 9 - распылительное устройство;
10 – закалочная ванна; 11 – вентиляционная система;
Р и Т – указатели режима работы установки (давление и температура)
Рисунок 5.7 – Схема установки напыления порошкового материала:
Технология нанесения покрытия на деталь состоит из ряда операций
(рисунок 5.8).
Рисунок 5.8 – Структурно-технологическая схема нанесения полимерного
термопластового покрытия
5.6 Наплавка износостойких слоев
Наплавка − нанесение слоя расплавленного металла на оплавленную
металлическую поверхность детали путем плавления присадочного
материала теплотой кислородно-ацетилированного пламени, электрической
или плазменной дуги и др.
Появление наплавки относится к 1896г., когда Спенсер получил
патент на изобретение. Промышленное применение началось несколько
позже, в 1922г. Братья Студи впервые осуществили в США наплавку
нефтяного бура способом газовой сварки. Начало автоматической наплавки
относится к 1939г. Русские ученые Михайлов и Ларионов осуществили
наплавку с помощью покрытых электродов прямоугольного сечения. В
Японии исследование в области наплавки начаты в 1955г.
Наплавка применяется для упрочнения деталей в основном
производстве при вновь изготавливаемых технических системах (машины,
аппараты, механизмы) и для восстановления изношенных поверхностей
деталей ТС узлов трения механизмов и машин, а также для повышения
тепло- и триботехнических характеристик различного инструмента. Этот
метод воздействия на свойства обрабатываемых поверхностей является
одним из наиболее универсальных и гибких технологических способов
улучшения эксплуатационных характеристик деталей трибосопряжений.
Наплавка позволяет: получать непосредственно на рабочей
поверхности трения деталей ТС сплав с различным сочетанием свойств;
заменять высоколегированные стали углеродистыми или
низколегированными сталями; уменьшать расход цветных металлов и
сплавов и др.
Методы наплавки различаются по источникам тепловой энергии,
способам защиты наплавляемого металла, уровнем механизации и
автоматизации и др. Наиболее известны следующие методы наплавки:
газовый, электродуговой, электрошлаковой, вибродуговой, индукционный,
плазменный, лучом лазера и др. Толщина наплавленного слоя 1...40 мм;
при вибродуговой − 0,3...3,0 мм.
Газопламенное наплавление − процесс нанесения расплавленного
металла на упрочняемую поверхность, нагретую до оплавления. Для
получения прочного соединения источником тепла служит смесь газов,
сжигаемых с помощью горелки. В качестве горючего газа, как правило,
используют ацетилен (температура пламени его смеси с кислородом −
3100..3200 оС). Этим способом упрочняют детали, изготавливаемые из
среднеуглеродистых сталей 35, 40, 45, низко- и среднелегированных сталей
20Х, 20Х3, 18ХГТ, 30Х, 35Х, 40Х (хромистых), 20ХН, 40 ХН, 12ХНА3
(хромоникелиевых). Для наплавки используют проволоку или ленту из
различных видов стали, из порошковых шлакообразующих материалов,
сплавы на медной основе. Детали с наплавленным слоем подвергают
термической и механической обработке. Детали с медным наплавленным
слоем дают возможность реализации избирательного переноса.
Детали и инструменты, рабочие поверхности которых должны иметь
высокую твердость и высокую износостойкость, наплавляют твердыми
сплавами типа сормайт, стеллит и релит.
Сормайт – сплав на основе железа, близкий к чугунам с высоким
содержанием хрома. Структура сормайтов состоит из сложных карбидов
хрома и железа и эвтектики. Сормайты наплавляют: на детали,
подверженные абразивному изнашиванию (лемеха плугов, ножи
бульдозеров и грейдеров, шнеки цементных насосов и др.); на
инструменты для обработки металла давлением; на детали, работающие в
среде агрессивных газов при повышенных температурах и др.
При работе деталей на истирание толщина слоя сплава должна быть
в пределах 2,5...4 мм, для режущих кромок инструментов 1,5...3 мм, для
деталей инструмента, испытывающих небольшие ударные нагрузки –
2 мм.
Стеллиты – хромвольфрамокобольтовые наплавочные сплавы,
которые предназначены для наплавки деталей, работающих в условиях
абразивного изнашивания, осложненного динамическими нагрузками.
Стеллиты применяют для наплавки трущихся поверхностей деталей, от
которых требуется износостойкость и стойкость против коррозии. Основа
этих сплавов – вязкий аустенит, прочно удерживающий карбидные зерна
(составляют 30-45%). Износостойкость наплавленных деталей, режущих
кромок инструментов повышается в 3...5 раз. Высокая твердость и
износостойкость наплавленных слоев сохраняется без значительных
изменений до 700 оС.
Релит – наплавочный материал, состоящий из смеси карбидов
вольфрама. Релит применяется для армирования бурового инструмента
(шарошки буровых долот), щек дробилок и других деталей, работающих в
условиях абразивного изнашивания при высоких нагрузках и скоростях
скольжения.
Электродуговая наплавка − процесс нанесения металла,
выполняющего роль плавящего электрода, на упрочняемую поверхность,
при котором нагрев осуществляется электрической дугой. В зависимости
от способа возбуждения дуги, подачи и перемещения электрода, а также
вида защитной (наплавочной) среды различают наплавки: ручную,
механизированную, электрошлаковую, дуговые сварки в защитном газе и
под слоем флюса.
Наплавку электродуговым способом применяют для восстановления
изношенных деталей (восстановительная наплавка) и для повышения
триботехнических характеристик деталей (износостойкие и
антикоррозийные наплавки, повышающие сопротивление поверхностных
слоев металла абразивному и коррозионно-механическому изнашиванию).
Для электродуговой наплавки используются такие же материалы как
и при газоплазменном наплавлении (сормайт, стеллит, релит).
5.7 Плакирование
Плакирование – метод нанесения покрытий за счет механических и
термомеханического воздействия на два или более соединяемых
материалов. Чаще всего плакирование распространяется на металлы и их
сплавы. Плакирование реализуется за счет взрыва, прокатывания,
экструзии. Так получают би- и триметаллы в виде ленты, листа, полос,
проволоки, труб и других изделий простой геометрической формы и таким
же образом наносят различные защитные, антифрикционные покрытия на
детали машин.
Соединению в слоистые композиционные материалы могут быть
подвергнуты различные металлы и сплавы. Так, например, стали можно
плакировать Zn, Mg, Al, Ni, Ta, Ag, Nb, Cu и сплавами меди.
Метод создания толстослойных покрытий применяется при
изготовлении деталей или при восстановлении их формы после
изнашивания. При этом толщина слоя может составлять несколько
миллиметров. Плакирование также используется при изготовлении
элементов скользящих электрических контактов в целях экономии
дорогостоящих материалов с высокими показателями электропроводности,
чаще серебра.
Толстослойные покрытия часто наносятся методом прокатки.
Сцепление слоев осуществляется за счет диффузии, стимулируемое
высокой температурой. Применяется также диффузионная и контактная
сварка, наплавка, припаивание и другие способы. Часто наносятся слои из
порошковых металлов и керамики. Слои спекаются в конвейерных печах и
прокатываются вместе с основным металлом в горячем состоянии.
Суспензии (смеси порошков с летучими жидкостями с добавлением
клеящего вещества) могут наносится по способу шликерного литья. Затем
детали просушиваются. На поверхности образуется слой ровной толщины,
удерживаемый клеем.
Детали помещаются в печь, клей выгорает, а наносимый материал
(порошок или смеси из порошков) припекается к основе. Образуется
пористое твердое покрытие, которое затем может пропитываться
необходимым по функциональному назначению материалом, например
фторопластом, эпиламами.
5.8 Финишная антифрикционная безабразивная обработка
Сущность технол