|
ФPAГMEHT КНИГИ (...) В качестве напыляемого материала используют плакированный порошок с содержанием 172 показана кольцевая камера сгорания с теплоизоляционным напыленным покрытием по наружной поверхности (5. Это покрытие, как видно на рис. 173, состоит из трех слоев, включая нижний подслой, напыленный плакированным порошком системы никель — алюминий (5%) или никель — хром (20%), промежуточный керметный и поверхностный, нанесенный стабилизированным диоксидом циркония (общая толщина покрытия 0,38 — 0,51 мм). Такое трехслойное покрытие обладает большим преимуществом, однако при возникновении локальных разрушений покрытия происходит окисление нижнего металлического слоя, деградация которого сопровождается отслоением керамического и промежуточного керметного слоев. Кроме того, при необходимости удаления нижнего подслоя системы никель — алюминий, например при повторении операции напыления во время изготовления нового изделия или при реставрации изношенной детали, возникают значительные трудности, связанные с высокой прочностью сцепления этого слоя с основным металлом, В последнее время разработана композиция защитного слоя с плавным изменением состава покрытия при переходе от одного напыляемого материала к другому. Как видно на рис. 174, сначала на основной металл напыляют подслой заданной толщины из сплава Со — Сг — А1 — Y. В процессе напыления этого слоя к порошковому металлическому сплаву (Со — Сг — А1 — Y) начинают понемногу добавлять керамический порошок, доля которого, постепенно возрастая, достигает 100%, после чего некоторое время напыляют только керамическое покрытие (общая тЪлщина 0,38 — 0,51 мм). Такое покрытие, пригодное для применения при более высокой температуре, обладает высокими эксплуатационными свойствами и легко удаляется при реставрации. Задача хорошего выполнения такого слоя требует большой точности регулирования подачи порошковых напыляемых материалов. Кроме того, необходимость равномерного нагрева (прогрева) порошков из разных материалов требует тщательного подбора порошков по размеру частиц и оптимального режима нанесения покрытия.
Для того чтобы при оценке качества напыленного слоя не проводить испытаний на серийных изделиях, изготовляют специальные образцы с покрытиями и испытывают их с применением стандартных методик: испытание на прочность сцепления методом выдавливания и испытание для определения прочности сцепления тия на отрыв с использованием клея на рис. 146). Если в процессе испытаний образцов с покрытиями в них выявляются дефекты, то для их устранения проводят доработку режимов напыления, затем снова проводят нанесение покрытий на образцы и их повторные испытания. Этот цикл повторяют многократно до выработки оптимального режима нанесения После отработки и освоения этого режима внедряют на производственной линии 6.
Для оценки качества напыленных покрытий проводят их микро-структурные исследования. Оценка качества осуществляется путем сравнения микроструктуры покрытия перечном сечении.
Все покрытия с трещинами выбраковывают, рис. 175 показаны примеры эталонных снимков -(покрытия из 88% карбида вольфрама+12% кобальта), по котором судят о качестве покрытий по количеству и форме оксидов. Оценка «хорошее» (а) означает, что покрытие можно считать вполне приемлемым по количеству и форме включений, оценка «посредственное» (б) относится к покрытию, которое по количеству и форме включений находится
По пористости пригодными считают покрытия с пористостью до при отсутствии особо крупных пор. Покрытия с более высокой пористостью подлежат повторному напылению. Все покрытия, в структуре которых обнаруживают особо крупные поры, считают негодными и выбраковывают. На рис. 176 показаны эталонные
снимки, по которым оценивают пористость покрытии, напыленных порошком с размером частиц 10 мкм. Эти снимки используют также для выявления в переходной зоне частиц плакированного порошка, не прореагировавших с основным металлом.
Измерению твердости подвергают только покрытия, напыленные износостойкими материалами, обладающими стойкостью к обычному (HV) и эрозионному (HR) износу.
Нельзя также пренебрегать опасностью растрескивания, отслоения и выкрашивания покрытия под влиянием переменных термических напряжений,
связанных с циклами нагрев — охлаждение.
Нанесение покрытий в промышленных условиях начинают только после отработки оптимального режима напыления, обеспечивающего получение качественных покрытий, и достаточно полного освоения оператором данного процесса напыления в выбранном режиме.
Рис. 176. Эталоны для оценки пористости по крытий, напыленных порошком с размером частиц 10 мкм (Х200Х1/2)
Рис. 177. Сечение цилиндра мотоциклетного двигателя:
1 — слои, напыленные молибденом либо его сплавом с вольфрамом или одним вольфрамом; 2 — слои, напыленные углеродистой стдлью; 3 — зеркало цилиндра, подвергнутое чистовой обработке шлифованием; 4 — основной металл — алюминий; 5 — многослойное напыленное покрытие композиционного состава; 6 — покрытие, нанесенное за один — три электроимпульсных цикла
Рис. 178. Места измерения величины износа цилиндра, подвергнутого напылению
Мотоциклетные двигатели. На алюминиевые цилиндры мотоциклетных двигателей наносят многослойные покрытия (рис. 177), состоящие из чередующихся слоев, напыляемых электроимпульс-ным способом с использованием проволоки двух материалов, например проволоки из молибдена чистотой 98% и проволоки из углеродистой стали с содержанием 0,82% С. Это многослойное покрытие кроме высокой износостойкости обладает многими другими ценными свойствами 7.
Прочность сцепления первого молибденового слоя с основным металлом превышает 49 МПа. Эта прочность сцепления придает всему покрытию стойкость к термическому влиянию и механическую прочность. Попеременное напыление молибденом и углеродистой сталью придает структуре покрытия смешанный характер, а свойства покрытия сочетают в себе особенности, присущие двум напыляемым металлам. Должная пористость покрытия составляет основу высоких антифрикционных свойств, связанных с удержани-
Рис. 179. Изменение среднего износа (мкм) цилиндра от продолжительности работы двигателя (по результатам испытаний пробегом на мотоцикле):
1 — цилиндр с чугунной гильзой; 2 — алюминиевый цилиндр с защитным напыленным покрытием
Рис. 180. Зависимость износостойкости (мг) поршневых колец с хромовым покрытием, нанесенным плазменным напылением и электролитическим способом (работа в обычном эксплуатационном режиме): 1 поршневое кольцо с хромовым покрытием, нанесенным электролитическим способом; 2 — поршнегюе кольцо с хромовым покрытием, нанесенным плазменным методом
На рис. 178 отмечены места измерения величины износа подвергнутого напылению цилиндра мотоциклетного двигателя. На рис. 179 показано соотношение между продолжительностью работы двигателя и средней величиной
износа в точках А, В в направлениях х, у (рис. 178) по результатам испытаний на реальном мотоцикле. Износ цилиндра с напыленным покрытием в 2 — 3 раза меньше, чем цилиндра, снабженного чугунной гильзой. Технология напыления позволяет уменьшить массу цилиндра, а при достаточно высокой адгезии к основному металлу покрытие предотвращает заклинивание поршня за счет хорошего отвода теплоты от стенки цилиндра. Применение цилиндров с напыленными покрытиями не только делает устойчивой работу двигателя на малых оборотах, но и обеспечивает повышение его эффективной мощности на средних и высоких оборотах.
Износостойкость поршневых колец повышают иногда путем плазменного напыления хромом 8 поскольку известно, что хромовое покрытие, которое прежде наносили электролитическим способом, дает заметное повышение износостойкости. На рис. 180 показаны сопоставительные данные по износостойкости нанесенных двумя способами хромовых покрытий при работе в обычном эксплуазаци-онном режиме. Износ поршневых колец с напыленным покрытием примерно в 10 раз меньше, чем для колец с покрытием, нанесенным электролитическим способом. Большое число поршневых колец перед напылением собирают на приспособлении таким образом, чтобы открытой оставалась только их боковая цилиндрическая поверхность. Это приспособление устанавливают затем на специальный станок и осуществляют плазменное напыление в условиях вращения приспособления и осевого перемещения горелки. После напыления кольца подвергают чистовой механической обработке.
Зубчатые синхронизаторы автомобильных передач. На синхронизирующий конус зубчатого синхронизатора (рис. 181), изготовляемого в условиях массового производства на автомобильных заводах, напыляют молибденовое покрытие толщиной 0,25 — 0,33 мм 9. Прежде в синхронизатор коробки передач запрессовывалась бронзовая кольцеобразная втулка, которая обладала достаточной износостойкостью. Однако после 1960 г. в связи с внедрением в автомобильной промышленности двигателей с горизонтальным расположением цилиндров значитель-- но сузились возможности проектирования синхронизаторов для высокооборотных двигателей, поэтому прямая передача усилия от двигателя на ведущие колеса составила серьезную проблему из-за-чрезмерно быстрого износа бронзовой втулки: эта втулка выходила из строя из-за большого износа через 3200 — 4800 км пробега. Проблема была решена напылением молибденового покрытия на синхронизирующий конус. Высокая износостойкость этого покрытия обеспечена за счет ряда показателей, включая хорошее сцепление молибдена с основным металлом, высокую твердость частиц напыленного материала и самосмазывающиеся свойства, связанные с пропиткой пористого покрытия смазочным материалом.
К настоящему времени изготовлено свыше 40 млн. зубчатых синхронизаторов с молибденовым напыленным покрытием (среднемесячная производительность 60 тыс. шт.). До сих пор не было зарегистрировано ни одного случая выхода из строя этих деталей в новом исполнении.
Гидротурбины. Направляющие лопатки, колеса турбин и впускные клапана 10 изготовляют обычно из чугуна и литой хромистой стали с содержанием 13% Сг. В последние годы в связи с увеличением размеров и мощности гидроэнергетических установок турбины работают в условиях большого гидростатического напора, что ускоряет абразивный износ деталей содержащимися в воде частицами грунта. Это обстоятельство усугубляется частотой пиковых пусков (в часы пик) оборудования и сопровождается кавитационной эрозией и коррозией лопастей турбин под влиянием речной воды.
Указанные виды износа развиваются только на ограниченных участках деталей, соответствующая обработка которых на стадии изготовления является эффективным средством значительного увеличения срока службы всего оборудования. Преимущества напыления предполагают его использование для этой цели.
Кавитационная эрозия, связанная с выкрашиванием частиц из напыленного покрытия, может стать причиной серьезного износа напыленных покрытий. В состоянии после напыления покрытие обладает меньшей стойкостью к кавитационному износу, нежели материал покрытия в литом состоянии, однако после уплотнительной обработки (например, оплавления), особенно в случае напыления самофлюсующимися сплавами, стойкость покрытия к кавитации резко возрастает по сравнению с соответствующим свойством литой хромистой и литой коррозионно-стойкой (типа 18-8) сталей. На рис. 182 показаны результаты испытаний на стойкость различных материалов с покрытием и без покрытия к кавитационному износу. Испытание осуществляли магнитострикционным способом при частоте колебаний 6,5 кГц.
На рис. 183 показаны значения относительного эрозионного износа (отношение износа образца к износу литой коррозионно-стойкой стали типа 18-8) для ряда напыленных покрытий по результатам лабораторных испытаний, которые заключались во вращении образцов с окружной скоростью 7 м/с в среде воды, содержащей 3% по объему силикатного песка фракции № 5. На рис. 183 показаны данные по стойкости к той разновидности эрозионного износа, которая сочетает абразивное действие твердых угловатых частиц с коррозией покрытия под влиянием воды. Ослабление сцепления между частицами внутри покрытия облегчает их выбивание при ударах содержащихся в воде абразивных частиц. Покрытия из самофлюсующихся сплавов после оплавления обладают исключительно высокой стойкостью к рассматриваемому эрозионному износу. В табл. 15.2 приведены данные по применению покрытий для упрочнения различных элементов гидроэнергетического оборудования. Особого внимания заслуживает применение напыленных покрытий для упрочнения направляющих подшипников и опорных колец. На рис. 184 показано место напыления лопатки рабочего колеса турбины.
Детали насосов. Втулка, соединяющая насос, работающий в воде, с электродвигателем по наружной поверхности в результате контакта с уплотнением подвергается интенсивному износу и коррозии. На рис. 185 показано место нанесения покрытия на втулку 11. Для напыления применяют самофлюсующиеся хромоникелевые сплавы, которые наносили газопламенным способом с толщиной покрытия приблизительно 1 мм.
Другое преимущество калибров с напыленным покрытием — их сравнительно низкая стоимость. На рис. 187 приведены результаты испытаний на износ для калибров-пробок, изготовленных тремя разными способами 17.
Матрицы для горячего прессования тугоплавких металлов. Прессование через матрицу молибдена, ниобия, вольфрама и их сплавов — сравнительно новый метод обработки, основной проблемой которого является стойкость матриц. Матрица из инструментальной стали без покрытия за одно прессование при температуре 1320° С изнашивается до такой степени, что ее уже невозможно починить. Низкая стойкость инструмента для прессования тугоплавких металлов — не единственная проблема. При прессовании на участке контактирования изделия с матрицей при высоких температуре и давлении на поверхности изделия образуется слой материала (сплав между металлом изделия и матрицы), отличающийся от остального металла изделия по составу и свойствам, что приводит к изменению качества поверхности прессуемого изделия. Это создает дополнительные технологические трудности при его последующей обработке. Кроме того, в процессе прессования происходит непрерывное повреждение матрицы, в результате чего значительно изменяется диаметр и форма поперечного сечения прессуемого изделия по длине.
В связи с этим конические матрицы (90°) из штамповой стали твердостью НДС 40 — 44 упрочняли путем напыления на их поверх-
Л — закаленные калибры из быстрорежущей стали; Б — калибры, изготовленные из карбида вольфрама методами порошковой металлургии; В — калибры, упрочненные напылением
Рис. 187. Износостойкость (число циклов N до износа на 2,5 мкм) калибров-пробок, изготовленные тремя способами:
ность оксида алюминия или диоксида циркония с образованием покрытия толщиной 0,5 — 1 мм. Матрицы с покрытием из оксида алюминия показали хорошие результаты при температурах до 1650° С, но при температуре выше 1760° С они интенсивно изнашивались и быстро выходили из строя. Матрицы с покрытием из диоксида циркония успешно работали при температурах до 2370° С. Применение керамических покрытий требует снижения давления прессования. В настоящее время используют матрицы с покрытием из диоксида циркония. Срок их службы в 5 — 10 раз превышает срок службы аналогичных инструментов без покрытия 18.
Перед напылением поверхность матриц обрабатывают для приданияей шероховатости, в частности путем нарезания концентрических канавок глубиной 0,25 — 0,38 мм с шагом ~ 1 мм.
Для восстановления поврежденных из-за износа матриц приме-
няют как газопламенный, так и плазменный метод нанесения керамических покрытий.
Пуансоны, направляющие ролики. Для штамповки фланцев, устанавливаемых в узлах осей колес заднего моста автомобиля, используют пуансоны, срок службы которых не превышал 200 — 300 штамповок. Для изготовления пуансона, причина быстрого износа которого была связана со схватыванием обрабатываемого металла изделия с поверхностью пуансона, опробовали различные способы упрочнения и материалы (инструментальная сталь, различные карбиды, хромирование и т. п.), однако существенного увеличения срока службы достичь не удалось. Между тем за счет напыления молибденом срок службы пуансонов был увеличен до 30 000 — 40 000 штамповок 19.
На коническую поверхность направляющих роликов, используемых в прокатном оборудовании для переворачивания стальных слябов, напыляют самофлюсующийся никелевый сплав колмоной № 6 толщиной ~ 1 мм. После напыления покрытие оплавляют 20.
Покрытия из никелевых самофлюсующихся сплавов наносят также на тяговые шайбы волочильных машин и фланцы транспортерных роликов 20. Оплавление покрытий на этих изделиях осуществляют путем равномерного нагрева в печах.
Регистрирующие головки ЭВМ. Алюминиевый корпус головок ЭВМ подвергают плазменному напылению оксидом алюминия с добавлением диоксида титана 21. После нанесения покрытия толщиной ~0,5 мм (рис. 188) производят сначала шлифование поверхности головки алмазным кругом до шероховатости 0,15 мкм (среднее квадратичное значение), а затем посредством притирки шероховатость покрытия доводят до 0,05 мкм. После окончательной чистовой обработки толщина напыленного покрытия составляет 0,25 мм.
Поверхность головки ЭВМ работает в контакте с магнитной лентой, скользящей по ней со скоростью 2,5 — 6,5 м/с. Износ головки увеличивается из-за неравномерности скольжения ленты, резких остановок и рывков при возобновлении движения. Поэтому участок контактирования поверхности головки с лентой следует упрочнять немагнитным покрытием, обладающим высокой твердостью. Задача повышения эксплуатационных характеристик регистрирующей головки требует уменьшения зазора между ней и лентой, а это может быть достигнуто путем применения тонкого износостойкого покрытия.
Срок службы алюминиевых головок обычно не превышает 2000 ч, однако благодаря упрочнению напылением он увеличен до 20 тыс. ч. При этом достигнуто уменьшение образования продуктов износа головки, которые неблагоприятно влияли на качество воспроизведения выходных сигналов. Только за счет этого срок службы головки увеличился в 2 раза.
Электроды озонаторов. При изготовлении стеклянных электродов озонаторов на внутреннюю поверхность стеклянной трубки длиной 1200 и диаметром 60 мм наносят проводящий слой, для чего используют газопламенное напыление алюминием 14. При пропускании через электродное покрытие постоянного тока напряжением 10000 В получают озон, используемый для очистки воды. Преимущество озонной очистки связано с отсутствием запаха, характерного для воды после хлорной очистки. На рис. 189 показана часть стеклянного электрода озонатора.
Кухонные приборы. Напыление используют.для упрочнения кухонных плиток (рис. 190), изготовляемых по 50 — 60 тыс. шт. в месяц 22. Эти плитки выполнены в виде сковороды с нагревательным элементом, смонтированным под дном. Сковороды изготовляют из алюминиевого листа или получают их способом литья под давлением. Поверхность сковороды сначала подвергают напылению, а затем наносят на него покрытие из фторопласта (тефлона).
Отсутствие пригорания продуктов, коррозионная стойкость и износостойкость — эти основные требования, предъявляемые к кухонным приборам, полностью удовлетворяются за счет напыления на них оксида алюминия с последующим нанесением полимерного покрытия.
Предварительная обработка поверхности изделия перед напылением включает обезжиривание при 400°С и пескоструйную обработку корундом. В качестве подслоя под напыление полимера используют дешевый серый глинозем, обладающий многими ценными свойствами, включая коррозионную стойкость, изноеосостойкость и жаростойкость.
Зубные протезы. Зубные протезы при хорошем внешнем виде должны обладать высокой твердостью и изностойкостью. На рис. 191 показана зубная коронка, изготовленная из сплава никеля с хромом и кобальтом, снабженная фарфоровым покрытием, нанесенным горячим способом 23.
Фарфор отличается высокой адгезией к сплаву благородного металла с добавлением олова или индия, однако фарфоровое покрытие чрезмерно дорого. При изготовлении зубных протезов рекомендуется использовать дешевый основной металл. Сплав никеля с хромом и кобальтом удовлетворяет этому требованию, однако при горячем нанесении фарфора непосредственно на этот сплав покрытие не имеет должной прочности сцепления. Поэтому на основной металл этого сплава сначала наносят плазменным напылением подслой из порошка оксида алюминия или диоксида циркония. Эти покрытия, обладающие хорошей смачиваемостью жидким фарфором, обеспечивают высокую прочность сцепления фарфорового покрытия.
На рис. 192 приведены данные по прочности протезов передних и коренных зубов, изготовленных описанным способом, по сравнению с протезами передних зубов, изготовленных из сплава благородных металлов с фарфоровым покрытием. Протезы, изготовленные по новой технологии с использованием напыления, по прочности заметно превосходят протезы из сплава благородных металлов.
На рис. 193, а показан зубной протез с коронками, отлитыми в оболочковые формы, в состоянии готовности к напылению. На рис. 193, б те же коронки показаны в состоянии после напыления оксида алюминия, а на рис. 193, в — в состоянии после нанесения фарфо-" рового покрытия и установки протеза во рту клиента. После двухлетнего применения такие протезы сохраняют хороший внешний вид и функции.
Металлоконструкции. Напыление металлоконструкций осуществляют преимущественно для защиты от коррозии. Наиболее широкое применение имеют алюминиевые и цинковые покрытия, обеспечивающие электрохимическую защиту основного металла. Длительные испытания образцов с алюминиевыми и цинковыми покрытиями подтвердили их высокие защитные свойства при длительной работе в различных агрессивных средах.
Наиболее простым и эффективным средством защиты стальных конструкций от коррозии является окраска, для повышения защитных свойств которой разработаны разнообразные красители. Вместе с тем окраска отличается краткосрочностью защитного действия, длительное сохранение которого требует периодического обновления. Увеличения длительности защитного действия окраски нередко достигают путем нанесения красителей на шероховатую поверхность пористых напыленных покрытий.
В частности, элементы конструкции, мостика перед парадным входом императорского дворца (г. Токио) с целью защиты от коррозии были подвергнуты обработке, включающей напыление и окраску. На заводе эти элементы подвергали напылению цинком (толщина покрытия 0,1 мм), грунтовке (расход грунтовки 80 — 100 г/м2) и окраске красителем на основе плюмбата кальция (140 — 160 г/м2). После монтажа был нанесен еще один слой того же красителя (140 — 160 г/м2) и два слоя фталатного масляного красителя (110 — 130 г/м2) 24.
Формование напылением. Напыление материала на поверхность оправки требуемой формы с последующим снятием с нее слоя покрытия обеспечивает получение готовых изделий, находящих применение в различных областях техники.
Для защиты от пыли и влаги радиолокационная антенна самолета закрывается обтекателем, который должен иметь достаточную прочность, коррозионную стойкость, радиопрозрачность в микроволновом диапазоне и быть жаростойким. Наиболее подходящим материалом для обтекателя радиолокационной антенны является оксид алюминия.
Согласно прежней технологии, обтекатели изготовляли прессованием из, шликера на основе оксида алюминия с последующей сушкой и обжигом полученной формы или же на поверхность стальной формы наносили мокрый‘глинозем, просушивали и производили затем гидростатическое прессование в гибкой пресс-форме с последующим спеканием. Однако при изготовлении обтекателей по такой технологии значительная часть обтекателей растрескивалась при спекании из-за значительной усадки материала, составляющей 20 или 8% в зависимости от технологии изготовления спекаемой заготовки.
В последнее время обтекатели радиолокационных антенн изготовляют с использованием технологии газопламенного напыления прутковых материалов из оксида алюминия 25. На поверхность вращающейся алюминиевой оправки после легкой обдувки корундом газопламенным напылением наносят слой поваренной соли. Поверхность покрытия из поваренной соли шлифуют мелкозернистой наждачной бумагой, доведя толщину покрытия до 1 мм, а затем на него наносят покрытие из оксида алюминия толщиной 3,8 мм. Растворение струей воды слоя поваренной соли между поверхностью оправки и покрытием из оксида алюминия обеспечивает снятие этого покрытия, имеющего форму обтекателя радиолокационной антенны.
Формование напылением используют не только для изготовления таких специальных деталей, как обтекатели радиолокационных антенн, но и для самых разнообразных изделий, имеющих форму тонких керамических оболочек, которые должны быть плотными и обладать небольшой усадкой в процессе обжига. Естественно, что в ряде случаев можно использовать оболочки сразу после напыления, не подвергая их обжигу.
На рис. 195 показаны тигли, трубки и другие изделия, изготовленные формованием способом плазменного напыления из диоксида циркония 26.
В производстве штампов и пресс-форм широко используют электроэрозионную (искровую) обработку, основная проблема которой связана с точностью изготовления электродов и их стоимостью. В последнее время для изготовления электродов применяют технологию формования напылением 22.
При изготовлении электродов формованием используют металлическую форму — оправку, традиционно изготовленную механической обработкой и ручной доводкой. На поверхность металлической формы напыляют слой покрытия толщиной 5 — 10 мм, извлечение которого позволяет получить желаемый электрод. Плотное прилегание напыляемого слоя формуемого электрода к поверхности формы, определяющей его геометрию, предъявляет высокие требования к качеству и точности изготовления этой формы. На рис. 196 показан электрод, изготовленный формованием покрытия по металлической форме-оправке.
|
