124392 (592940), страница 10
Текст из файла (страница 10)
- толщина покрытия может быть обеспечена в пределах от 0,005 мм до 10 мм;
- высокая производительность процесса ( до 10 кг порошка в час ) ;
- относительно низкий уровень шума и световых излучений, позволяющий работать без дополнительных средств защиты;
- легкость и простота обслуживания, невысокая стоимость и мобильность оборудования.
Формирование покрытия является завершающей стадией процесса напыления, в результате которого образуется система покрытие—основа с определенным комплексом физико-химических и механических свойств.
На этой стадии процесса формирования покрытия помимо напыляемого материала участвует основа, а следовательно, в число факторов, влияющих на этот процесс, входят состав материала основы с его теплофизическими и физико-химическими характеристиками, состояние поверхности. Нельзя не учитывать при этом и термического воздействия на основу газовой струи. Таким образом, этап формирования покрытия представляет собой сложный комплекс различного рода явлений, влияющих на получение покрытия с желаемым уровнем свойств.
По результатам исследований Л.М. Демиденко, В.И. Костикова и В.В. Кудинова на стадии формирования покрытия имеют место следующие явления: удар частицы о поверхность; деформацию частицы; термические процессы в зоне контакта; возникновение сил сцепления частицы с контактной поверхностью; установление термического равновесия системы покрытие — основа с окружающей средой и формирование остаточных напряжений.
Эти явления не разделены строго во времени и в основном накладываются друг на друга.
Различают взаимодействие напыляемых частиц с поверхностью основы и напыляемых частиц с поверхностью уже нанесенного слоя покрытия. В первом случае возникают силы сцепления покрытия с основой, во втором — силы, обусловливающие внутреннюю (когезионную) прочность самого покрытия.
В настоящее время рассматривают в основном три типа взаимодействия: механическое зацепление; физическое взаимодействие, обусловленное силами типа сил Ван-дер-Ваальса; химическое взаимодействие и образование межатомных связей.
Большинство исследователей отдают предпочтение гипотезе образования сил сцепления преимущественно за счет межатомных связей, признавая в то же время наличие и элементов механического зацепления и межмолекулярного взаимодействия, т. е. взаимодействие в этом случае носит комплексный характер с одновременной реализацией нескольких механизмов сцепления покрытия с основой.
Важным моментом является деформация и растекание частиц, обеспечивающее физический контакт напыляемой частицы с поверхностью. Степень деформации частицы и совершенство образовавшегося контакта с напыляемой поверхностью зависят от большого числа факторов: тепловой и кинетической энергии частиц, свойств материала расплава (вязкости, теплоемкости, теплопроводности, поверхностного натяжения и др.), состояния напыляемой поверхности и т. п.
Одной из основных характеристик процесса формирования покрытия является температура, возникающая в зоне контакта напыляемой частицы с поверхностью.
Расчеты показывают что температура при напылении соответствует твердому состоянию частицы и подложки. Глубина зоны термического влияния под частицей не превышает нескольких десятков микрометров. Поэтому процессы физико-химического взаимодействия при напылении, очевидно, не затрагивают основного объема материала подложки, а проходят в приповерхностном слое.
Расчетная оценка времени взаимодействия частицы с поверхностью при напылении дает величины порядка 10-4 — 10-7 с. Этот факт привел к заключению о невозможности вследствие этого развития объемных процессов диффузии или об ограниченности возможных ее механизмов, например, только по границам зерен, что отражено в работах Л.М. Демиденко и Г.Г. Максимовича. Однако своеобразие условий в контактной зоне приводит к существенным отклонениям от классических диффузионных процессов, например, по следующим причинам: зона контакта под воздействием удара частицы может быть сильно разрушена и насыщена дефектами; сами напыляемые частицы могут иметь высокую концентрацию вакансий. Подобные обстоятельства приводят к аномально высоким скоростям диффузии.
Действительно, многими исследователями установлен не только факт возникновения диффузионных зон при напылении, но и в ряде случаев значительная их толщина, достигающая 10—20 мкм.
Попытки теоретического расчета величин адгезии, образовавшейся между покрытием и подложкой на основе того или иного механизма, показали, что вычисленные и измеренные значения отличаются на один-два порядка. Это несоответствие объясняют двумя причинами: структурными дефектами границы раздела и механическими напряжениями в системе покрытие — основа. К структурным дефектам относятся неполнота физического контакта покрытия и основы и неполное развитие межатомных связей в зонах контакта.
На основе результатов теоретического анализа и экспериментальных данных предложен ряд методов управления остаточными напряжениями в напыленных покрытиях. В соответствии с результатами, полученными М.Д. Никитиным,к ним относятся согласование свойств материала покрытия и основы, в первую очередь КТР; регулирование термического воздействия струи плазмы и потока напыляемых частиц; снижение модуля упругости материала покрытия; использование переходных слоев между основой и покрытием, обеспечивающих плавный переход свойств от покрытия к основе; регулирование толщины покрытия; изменение формы напыляемой поверхности.
Структура многослойного напыленного покрытия сложна по сравнению с компактным материалом. Напыленный материал состоит из структурных элементов - зерно, частицы, слой, что обусловливает существование разных типов границ - между отдельными деформированными частицами, между слоями покрытия и между покрытием и подложкой. Границы, в свою очередь, отличаются сложной электронной и кристаллической структурой. Контактные процессы при ударе, деформации, затвердевании, охлаждении частиц, физико-химические процессы взаимодействия частиц с окружающей атмосферой при пролете к основе обусловливают структуру и свойства самого покрытия.
За период выдержки многослойного покрытия, поверхность ранее нанесенного слоя покрытия загрязняется, окисляется, и контактные процессы между ней и напыленными частицами затрудняются.
Образование покрытия последовательной укладкой множества деформировавшихся частиц неизбежно приводит к появлению микропустот, в первую очередь на стыках частиц. Покрытие формируется в атмосфере, поэтому микропустоты заполняются газом, что ухудшает свойства границ, особенно межслойных, имеющих наибольшую насыщенность адсорбированными газами. Вследствие большой шероховатости покрытия и чрезвычайно быстрого растекания и кристаллизации частиц, в зоне контактов с поверхностью ранее нанесенных частиц остаются дефекты, и полости которые образуются также из-за выделения газов, растворенных в расплавленных частицах.
Растворенный газ атмосферы при кристаллизации частиц стремится из них выделится. При этом важно не столько количество растворенных газов, сколько степень пересыщенности раствора.
Растворенные газы могут покидать металлическую решетку только в результате диффузии, уходить в атмосферу через открытую пористость или микропустоты.
Одним из существенных, хотя пока относительно малоизученных, вопросов процесса формирования плазменного покрытия является формообразование напыленного слоя. Установлено, что материал покрытия распределяется по площади пятна напыления неравномерно, образуя так называемую металлизационную фигуру. Распределение частиц происходит по закону Гаусса. Свойства напыленного материала в объеме металлизационной фигуры неоднородны. Величина пористости, например, также распределена по закону Гаусса. В связи с этим разработаны математические модели процесса формообразования при плазменном напылении с целью раскрытия связи геометрических параметров покрытия с параметрами режима напыления. Например, модель, предложенная В. В. Степановым, позволяет определить условия обеспечения равномерности толщины покрытия на поверхностях различной формы.
В целом на процесс формирования покрытия при напылении и в конечном счете на его качество непосредственно или косвенно влияет значительное число факторов. По оценкам различных исследователей, их количество варьируется от 20 (в работе Х. Кайзера ) до 60. В этих условиях важным является, с одной стороны, выбор показателей процесса формирования покрытия, а с другой,— выделение из общей массы наиболее существенных, лимитирующих факторов.
Прочность сцепления покрытия с подложкой можно определить как свойство первого порядка (только при условии обеспечения его необходимого уровня имеет смысл определять остальные свойства). Поэтому вопрос разработки методики экспериментального определения прочности сцепления имеет важное значение для развития процесса плазменного напыления в целом. Однако следует признать, что, несмотря на длительные исследования в этом направлении и наличие большого количества разнообразных методик надежного решения получить пока не удалось. А.А. Алленом отмечено, что получаемые значения силы сцепления не отражают величины адгезии, а являются скорее технической характеристикой. Разрушение носит в основном смешанный когезионно-адгезионный или чисто когезионный характер. Всем применяемым методикам присущ разброс получаемых экспериментальных данных, причем в некоторых диапазонах толщин покрытий он значителен. В связи с вышеуказанным, показатель прочности сцепления в настоящее время не может быть использован для текущего контроля процесса формирования покрытия, особенно в тех случаях, когда необходимо использование неразрушающих методов.
Анализ теоретических моделей и экспериментальных исследований процесса плазменного напыления, выполненный В.С. Лоскутовым, показывает, что критериями напыленного покрытия могут служить пористость, коэффициент использования порошка и остаточное напряжение в покрытии после напыления.
За истекший период существования технологии плазменного напыления покрытий накоплен большой опыт ее практического применения. Его обобщение позволяет провести классификацию плазменных покрытий по их эксплуатационным свойствам, определить диапазон задач, которые возможно в настоящее время решать при использовании этой технологии.
По практическому назначению плазменные покрытия разделяются на основные группы и подгруппы. В частности, в работе А. Хасуя предложена следующая классификация:
Покрытия для защиты от износа: в парах трения, при газоабразивпом износе, при гидроабразивном износе, при усталостном разрушении поверхностных слоев, при кавитации, при коррозионно-механическом износе.
Покрытия для защиты от разрушения при высоких температурах: в окислительных и других агрессивных средах, при высокотемпературной эрозии, в расплавах металлов и шлаков, в условиях воздействия интенсивных тепловых потоков.
Покрытия для защиты от атмосферной коррозии и коррозии в жидких средах: в обычной и промышленной атмосфере, в морской атмосфере, в питьевой и технической воде, в морской воде, в химических, нефтехимических и пищевых жидких средах.
Покрытия со специальными электрофизическими и оптическими свойствами: электропроводные, электроизолирующие и экранирующие покрытия, покрытия с магнитными свойствами, отражающие покрытия, покрытия с высокой степенью черноты.
Покрытия для создания саморегулирующихся зазоров (срабатываемые и режущие).
Покрытия для восстановления размеров изношенных деталей.
Помимо классификации по видам разрушения зачастую эксплуатационные условия подразделяют на несколько зон по уровню рабочих температур. Первая зона обычно ограничивается температурой 540°С, которая является предельной для эксплуатации покрытий из вольфрамкобальтовых твердых сплавов. В качестве второй зоны целесообразно выделить диапазон 540—650 °С, в котором покрытия типа ВК2 уже непригодны, а покрытия на основе карбида хрома еще малоработоспособны из-за непрочности оксидной пленки. Следующая зона определяется эффективным применением карбидохромовых покрытий и находится в пределах 650—980 °С. Выше 980 °С находится четвертая температурная зона.
Иногда покрытие должно одновременно удовлетворять комплексу требований, например, защищать изделие от износа и коррозии или износа и воздействия высоких температур. В этом случае чаще всего приходится выбирать компромиссное решение
Классификация упрочняющих покрытий, предложенная в работе Л.М. Кожуро, включает следующие группы
I - Fe, Ni, Cr, Al, Ti и сплавы на их основе;
П - самофлюсующиеся сплавы систем Ni-Cr-B-Si-C и Fe-Cr-B-Si-C;
III - Сu, Pb, Cd, St. бронзы, баббиты;
IV - Al, Zn; V - оксиды А2Оз, ZrO2, TiO2, Сг2О2, SiО2, CaO, Yo, MgO, Fе2Оз;
VI - карбиды вольфрама в смеси с Со, самофлюсующимися сплавами, интерметаллидами Al, Ti, Ni;
VII - карбиды хрома и титана в смеси с самофлюсующимися сплавами, интерметаллидами Al, Ni, Ti и никельхромистыми сплавами;
VIII - тугоплавкие металлы W, Mo, Nb, Та в чистом виде и в смеси с самофлюсующимися сплавами;
IX - керметы на основе смесей BN-Al-NiCr, Mg-ZrO2-NiCr, MgO-ZrO2 с Al и Ni, графита с Al, А2Оз, Ni, алюминидом никеля, ZrO2 с алюминидом никеля.
Материалы III и IV групп легко обрабатываются. В связи с малой толщиной, оксиды и керметы V и IX групп покрытий не обрабатываются лезвийным инструментом. Покрытия VI, VII и VIII групп наносятся в смеси с самофлюсующимися сплавами II группы. Таким образом, наиболее актуальны вопросы обработки лезвийным резанием покрытия I и II группы
Некоторые виды покрытий и область применения указаны в таб. 5.1.
Таблица 5.1 Виды напыленных порошковых покрытий
| Тип порошка | Состав, % по массе | Твердость покрытия | Назначение |
| Малоуглеродистая сталь — молибден - алюминий | 5 Мо; 5 Аl | HRB 85 | Восстановление изношенных деталей из рядовых сталей Твердые подшипниковые покрытия |
| Нихром — молибден — алюминий | 5 Мо; 5 Al | HRB 80-130 | Защита от износа при температурах до 760— 870 °С абразивными частицами и твердыми поверхностями, при эрозии, фреттинг-коррозии и кавитации Восстановление изношенных деталей из рядовых и легированных сталей |
| Оксид алюминия — диоксид титана | 13—42 ТO2 | HRC 60-70 | Защита от износа при невысоких температурах абразивными частицами, твердыми поверхностями, волокнами и нитями, при фреттинг-коррозии, кавитации, эрозии Твердые подшипниковые покрытия |
| Двойной карбид вольфрама-титана с никелем | 17Ni | HRC65-73 | Защита от износа при повышенных температурах абразивными частицами и твердыми поверхностями |
Теория и практика механической обработки напыленных покрытий
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
