Классификация покрытий по функциональным свойствам и способу нанесения

1. По способам получения  потока пара из материала покрытия  и формирования частиц: термическим  испарением материала из твердого  или расплавленного состояния, взрывным (интенсифицированным) испарением - распылением; ионным распылением твердого материала;

2. По энергетическому  состоянию частиц: нанесение нейтральными частицами (атомами, молекулами) с различным энергетическим состоянием; ионизированными частицами, ионизированными ускоренными частицами (в реальных условиях в потоке присутствуют различные частицы);

3. По взаимодействию частиц  с остаточными газами камеры: нанесение в инертной разреженной среде или высоком вакууме (13,3 МПа); и в активной разреженной среде (133 – 13,3 Па).

Введение в камеру активных газов позволяет перейти к способу вакуумного реакционного нанесения покрытий. Частицы в потоке или на поверхности конденсации вступают в химическое взаимодействие с активными газами (кислородом, азотом, оксидом углерода и др.) и образуют соответствующие соединения: оксиды, нитриды, карбиды и др.

Классификация вакуумного конденсационного нанесения покрытий показана на рис. 6. Выбор метода и его разновидностей (способов) определяется требованиями, предъявляемыми к покрытиям с учетом экономической эффективности, производительности, простоты управления, автоматизации и др. Наиболее перспективны способы вакуумного конденсационного нанесения с ионизацией потока напыляемых частиц (стимулирование плазмой); часто эти способы называют ионно-плазменными.

 

К изделиям, полученным вакуумными конденсационными методами, предъявляют следующие основные требования:

1. Соответствие размеров  требованиям, предъявляемым современной промышленностью;

2. Невысокое давление  насыщенных паров материала изделия  при температуре процесса;

3. Возможность нагрева  поверхности для повышения адгезионной прочности покрытий.

Вакуумное конденсационное нанесение покрытий широко применяют в различных областях техники. Вакуумным реакционным процессом создаются износостойкие покрытия на изделия различного назначения: парах трения, прессовом и режущем инструменте и др.

Вакуумное конденсационное нанесение позволяет получать покрытия с высокими физико-механическими свойствами; из синтезираованных соединений (карбидов, нитридов, оксидов и др); тонкие и равномерные; с использованием широкого класса неорганических материалов.

Технологические процессы, связанные с вакуумным конденсационным нанесением, не загрязняют окружающую среду и не нарушают экологию. В этом отношении они выгодно отличаются от химических и электрохимических методов нанесения тонких покрытий.

К недостаткам метода вакуумного конденсационного нанесения следует отнести невысокую производительность процесса (скорость конденсации около 1 мкм/мин), повышенную сложность технологии и оборудования, низкие показатели энергетических коэффициентов распыления, испарения и конденсации.

Процесс вакуумного конденсационного нанесения покрытий целесообразно рассматривать состоящим из трех стадий:

1. Переход конденсированной  фазы (твердой или жидкой) в газообразную (пар);

2. Формирование потока  и перенос частиц на поверхность  конденсации;

3. Конденсация паров на  поверхности изделия – формирование  покрытия.

Для получения качественных покрытий необходимо гибкое управление процессами посредством создания оптимальных условий их протекания.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Нанесение покрытий наплавкой концентрированными источниками тепла

 

Нанесение покрытий наплавкой концентрированными источниками теплоты производится в виде отдельных проходов, каждый из которых формирует валик из расплавленного материала шириной b. Перекрытие валиков Δb обычно составляет (1/4 – 1/3)3. Материал покрытий состоит из расплавленного основного материала и присадочного, который подается в ванночку. Если основной материал не расплавляется, то наплавленный валик формируется только из присадочного материала, в этом случае доля основного материала в формировании наплавленного покрытия равна нулю. Наибольшее распространение получили способы наплавки концентрированными источниками теплоты с небольшим расплавлением основного материала высотой hn. Высота валика наплавленного слоя hн обычно составляет 2 – 5 мм. При перекрытии валиков образуются продольные канавки (неровности) глубиной 1 – 2 мм.

Зная химический состав основного и присадочного материала и доли их участия в формировании материала покрытия, можно определить химический состав наплавленного слоя.

Под действием концентрированного источника теплоты основной материал локально нагревается, особенно при его расплавлении. Тепловой поток отводится в основной материал, образуя в нем зону термического влияния (ЗТВ). В высокотемпературной области ЗТВ, как правило, наблюдается рост зерна, образуется закаленная структура, горячие и холодные трещины. В практике наплавки стремятся к минимальной протяженности ЗТВ.

Под влиянием источника теплоты происходит вытеснение расплавленного металла из ванночки отдельными порциями, которые в процессе кристаллизации и образуют валик наплавленного материала. Процесс кристаллизации идет на базе оплавленных зерен основного материала, главная ось кристаллитов ориентирована в соответствии с направлением отвода теплоты в основной материал. При кристаллизации возможно образование дефектов: горячих и холодных трещин, пористости, шлаковых включений и др. Природа формирования покрытия из отдельных наплавленных валиков (проходов) с перекрытием не позволяет получать тонкие и равномерные по толщине наплавки. Минимальная толщина покрытия 1 – 2 мм может быть достигнута только при использовании прецизионных технологий. Для наплавки покрытий в основном применяют металлические материалы, иногда в расплавленный металл вводят различные тугоплавкие неметаллические соединения.

4.1 Классификация наплавленных покрытий

Классификация наплавленных покрытий осуществляется по различным признакам. Наиболее целесообразно классифицировать по:

– концентрированным источникам теплоты;

– характеру защиты расплавленного металла;

– степени механизации.

По источникам теплоты наплавку покрытий подразделяют на:

– дуговую;

– газопламенную;

– плазменную;

– светолучевую;

– электронно-лучевую;

– индукционную;

– электрошлаковую.

По характеру защиты расплавленного металла различают: наплавку с шлаковой, газовой и газошлаковой защитой. По степени механизации поменяют ручную и механизированную наплавку с элементами автоматизации.

4.2 Области применения наплавки

Наплавку концентрированными источниками теплоты применяют для восстановления изношенных поверхностей, покрытия при этом, как правило, дают высокий экономический эффект. Однако наплавка может быть использована и при создании исходных поверхностей новых изделий с широким диапазоном физико-химических свойств, например при создании выхлопных клапанов в двигателях внутреннего сгорания, при производстве бурового инструмента и др.

Особенно целесообразно применять наплавку для создания износостойких поверхностей в парах трения, причем минимальный износ может быть достигнут благодаря как повышению твердости в наплавленном слое, так снижению коэффициента трения. Известен большой экономический эффект при создании режущего инструмента. Быстрорежущую сталь в наплавленном покрытии получали аргонодуговой наплавкой с подачей присадочной проволоки из вольфрамомолибденовых сплавов с повышенными содержанием углерода (0,7 – 0,85 маc. %). Для наплавки тяжело нагруженных штампов при горячей штамповке использовали покрытые электроды, например ЦИ-1М (тип ЭН – 80В18Х4Ф – 60, тип F). Широко применяется наплавка износостойких покрытий при производстве землеройной техники. В целом методы наплавки высокоэффективны, к их недостаткам можно отнести:

– большую толщину наплавляемого слоя (за некоторым исключением);

– наличие протяженной зоны термического влияния в основном материале;

– высокую шероховатость поверхности, что требует последующей механической обработки;

– ограниченный круг наплавляемых материалов, в основном металличе-

ских.

 

 

5. Нанесение покрытий плакированием

Плакирование включает в себя широкий круг методов нанесения покрытий. К ним относятся:

1. Взрывной ударный;

2. Магнитный ударный;

3. Горячее изостатическое  прессование, или плакирование;

4. Получение механической  связи экструзией.

При подобной классификации методы плакирования и методы с образованием диффузионной связи несколько перекрываются. Методы плакирования классифицируются по скорости образования связи между покрытием и подложкой:

1. Очень быстрые процессы (плакирование взрывом, ударное электромагнитное);

2. Умеренно быстрые процессы (прокатка, экструзия);

3. Медленные процессы (диффузионная  сварка, горячее изостатическое

прессование).

 

Чаще плакирование используется для покрытия железных сплавов сплавами на основе никеля. Менее распространено плакирование стали кобальтом в основном из-за больших затрат. Более подробная информация по этому вопросу содержится в работах.

Среди методов плакирования наиболее широко, по-видимому, применяются методы прокатки и экструзии. Получение покрытий с помощью взрыва было открыто случайно в 1957 г. Горячее изостатическое прессование и получение покрытий с помощью электромагнитного удара - относительно новые методы. Покрытия с диффузионной связью были разработаны в начале XX века с целью нанесения на железо покрытий из сплавов никеля и других жаропрочных сплавов для специального применения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Газотермические методы нанесения  покрытий

Положив в основу разделения тип источника теплоты, на практике получили применение следующие методы напыления: плазменное, газопламенное, детонационно-газовое, дуговая и высокочастотная металлизация.

Первые газотермические покрытия были получены в начале XX в. М. У. Шоопом, который распылил расплавленный металл струей газа и, направив этот поток на образец-основу, получил на ней слой покрытия. По имени автора этот процесс называли шоопированием, и он был запатентован в Германии, Швейцарии, Франции и Англии. Конструкция первого газопламенного проволочного металлизатора Шоопа относится к 1912 г., а первого электродугового проволочного металлизатора – к 1918 г.

В отечественной промышленности газопламенную металлизацию стали применять с конца 20-х годов. В конце 30-х годов она была успешно заменена электродуговой металлизацией. Аппаратуру для электродуговой металлизации создали Н. В. Катц и Е. М. Линник.

Газотермическое напыление покрытий в мировой практике начало активно развиваться в конце 50-х годов. Этому способствовало создание надежной техники генерирования низкотемпературной плазмы; детонационно газовых взрывных устройств, совершенствование дуговых разрядных процессов.

В разработку теории, технологии и оборудования газотермического напыления включились многие научные коллективы Академии наук СССР, технических высших учебных заведений, отраслевых институтов и производственных предприятий. Аналогичными темпами развивались работы в основных ведущих зарубежных странах.

6.1 Классификации методов

В методах и технологии газотермического напыления много общего. Схема процесса газотермического напыления показана на рис. 7.

Распыляемый материал в виде порошка, проволоки (шнуров) или стержней подается в зону нагрева. Различают радиальную и осевую подачу материала. Нагретые частицы распыляют газом, основное назначение которого - ускорение напыляемых частиц в осевом направлении, но наряду с этим он может выполнять и другие функции. При подаче в зону нагрева проволоки или стержней распыляющий газ диспергирует расплавленный материал, в ряде методов напыления он выполняет и функцию нагрева.

Нагрев частиц, их распыление и ускорение газовым потоком предопределили название процесса – газотермическое напыление. Частицы, поступающие на поверхность формирования покрытия, должны обеспечивать образование прочных межатомных связей в процессе контактирования, для чего необходим их нагрев и соответствующая скорость. Известно, что температура частиц обусловливает термическую активацию в области контакта; скорость частиц при ударе о поверхность создает условия для механической активации поверхностного контакта. Необходимо учитывать, что при высоких скоростях частиц в момент их контактирования часть кинетической энергии преобразуется в тепловую, что также способствует развитию термической активации.

 

Разработанные методы газотермического напыления позволяют в достаточных пределах регулировать температуры и скорости частиц, поступающих на поверхность формирования покрытия.

Методы газотермического напыления классифицируют:

– по видам энергии;

– по видам источника теплоты;

– по видам распыляемого материала;

– по видам защиты;

– по степени механизации и автоматизации;

– по периодичности потока частиц.

По виду энергии различают методы с использованием электрической энергии (газоэлектрические методы) и методы, в которых тепловая энергия образуется за счет сгорания горючих газов (газопламенные методы). Для нагрева распыляемого материала используют следующие виды источника теплоты: дугу, плазму, высокочастотные разряды и газовое пламя. Соответственно этому методы напыления называют: электродуговая металлизация, плазменное напыление, высокочастотная металлизация, газопламенное напыление, детонационно-газовое напыление. Первые три метода относятся к газоэлектрическим, последние – к газопламенным.