/
Tags: общее машиностроение машиноведение
ISBN: 5-900583-02-3
Text
ТЕХНОЛОГИЯ
УПРОЧНЕНИЯ
Пн поляк м.с.
Член-корреспондент Международной и Российской
Инженерных Академий
ТЕХНОЛОГИЯ
УПРОЧНЕНИЯ
Москва
“ Машиностроение "
“Л.В.М. — СКРИПТ"
1995
ББК“? .Э.М JIRROFI 1
lii зоЯ н по» Ч.Ж-1М I нэкнопээодох
hhi хмн^энзжнН
H OR! ХЯТ
Г ЯН i'^Y
Технология упрочнения. Технол. методы упрочнения. В 2 т.
Т. I. — М.: “Л.В.М. — СКРИПТ", “МАШИНОСТРОЕНИЕ”,
1995. — 832 с.: ил.
ISBN 5-900583-02-3, ISBN 5-217-02810-6.
По мнению Почетного Президента Международной Инженерной Акадс-
и инструмента представляет собой значимый личный вклад в развитие
ББК 34.4
ISBN 5-900583-02-3
ISBN 5-900583-03-1
ISBN 5-217-02810-6
ISBN 5-217-02811-4
© Поляк М.С., 1995
ПРЕДИСЛОВИЕ
В материаловедении состояние поверхностного слоя конструк-
ционного материала представляет собой немаловажный фактор,
определяющий эксплуатационные, в том числе и прочностные,
характеристики изделия, поскольку, например, известно, что
его поверхности, а это приводит не только к потере необходимой
прочности изделия, но и к ухудшению условий нормальной
работоспособности из-за образования продуктов абразивного
изнашивания трущихся поверхностей, потере расчетного напря-
женного состояния сопрягаемых элементов конструкции и т.д.
Упрочнение же поверхностного слоя конструкционного мате-
риала теми или иными приемлемыми методами технологического
воздействия позволяют решать многие важнейшие технические
задачи, хотя сама по себе разработка и реализация таких
собой нсклю-
технологических методов у проч
чительно сложную проблему науки и производства. Тем не менее,
прогресс в развитии технологий поверхностного упрочнения
очевиден, и именно в силу этого происходит непрерывный рост
качественных показателей эксплуатационных характеристик де-
талей машин и рабочего инструмента, например, в части их
ресурса и износостойкости, логическим следствием чего является
увеличение величины надежности функционирования наиболее
ответственных элементов конструкций и сопротивляемости кон-
струкционного материала различным неблагоприятным факторам
воздействия: высоким знако-переменным нагрузкам, агрессивным
колебаниям.
Предлагаемый справочник является первым капитальным
трудом, охватывающим всю совокупность именно таких техно-
логических процессов поверхностного упрочнения, целевое на-
са деталей машин и механизмов, изделий промышленного
оборудования, производственного инструмента и прессо-штампо-
Справочник отличается основательной проработкой каждого
вопроса на современном уровне металловедческих и металлофи-
зических знаний. В нем обобщен обширный экспериментальный
материал и даны рекомендации в части выбора и практического
применения методов упрочнения. Строгий подход к означенным
проблемам и систематичность их изложения сочетаются в
справочнике с лаконичной подачей обширного материала. Изло-
упрочнения рассматриваются в соответствии с основными поло-
жениями современной теории дислокации и некомпенсированных ,
атомных связей, граничного состояния зерен в структуре металла
таких характеристик на механические свойства конструкционного
материала при его деформациях, как проявление адсорбционного
порога прочности деформируемого поверхностного слоя (эффект
Ребиндера), что в итоге позволяет управлять процессами пла-
стической деформации металлов.
Процессы поверхностного упрочнения, рассматриваемые с
позиции исследования кинематического состояния деформаций,
происходящих в массиве конструкционного материала, - опира-
прсдставления о природе прочности металла, как конструкцион-
ного материала, и о его сопротивляемости усталостному разру-
накопленные заводами и
научно-исследовательскими институтами знания и опыт в области
ионно-плазменного и лазерного упрочнения, плазменной, дето-
национной и прочих видов металлизации, термопластического
субструктурного упро»
i справоч-
ника построены на основании работ, проводимых в Институте
металлургии им. Н.И. Байкова АНР и в Институте атомной
энергии им. И.В. Курчатова АНР). Далее, здесь приведены
данные по наплавке и эмалированию (особый интерес представ-
ляют новые марки наплавочных сплавов и сталей для эмалиро-
вания, разработанные автором на основании нового оригиналь-
ного принципа легирования), динамического упрочнения и, в
частности, взрывом, термо-механической и химико-термической
обработкой, затем - поверхностной закалкой при индукционном
деформирования, плакированием с использованием многослойных
композиционных материалов, защитных покрытий и др.
Таким образом, в предлагаемом вниманию читателя справоч-
ном материале, автором которого является крупный ученый в
области технологии упрочнения, - с необходимой строгостью и
последовательностью изложены различные методы поверхностно-
го упрочнения, включая и собственные, авторские, ценные и
оригинальные исследования в этой области знаний. В основу
концепций составления этого справочника положена идея о
необходимости комплексной обработки металлов и сплавов с
целью получения деталей машин и механизмов, а также рабочего
характеристики.
Вопросы, связанные с проблемой замедления или предотв-
ращения процессов изнашивания деталей машин и инструмента,
с организацией технологии их поверхностного упрочнения ком-
плексными методами, отражены в научно-технической литературе
еще недостаточно полно. Однако следует отметить, что к
настоящему времени существует около двухсот технологических
методов поверхностного упрочнения, но публикация их фрагмен-
тарна, тематически несистемна и разрознена по отдельным
научно-техническим изданиям. Поэтому назрела необходимость
предпринять усилия в создании единого капитального труда,
лишенного таких недостатков, где были бы отражены все
существующие методы поверхностного упрочнения. Именно эту
задачу решает справочник по технологии упрочнения членкора
Международной и Российской Инженерных Академий М.С. По-
ляка, позвс
выбору тре
щетвеннику упростить его задачу по
поверхностного упрочнения с учетом
тех или иных производственных возможностей.
Научно-техническая революция в большой степени связана с
созданием новых машин-орудий и сроком их надежной эксплу-
атации. Поэтому издание данного справочника является чрезвы-
чайно актуальным делом, за что следует поблагодарить его автора
Председатель Научно-редакционного совета Вице-президент Рос-
сийской Академии наук, академик Фролов К.В., зав. редакцией
Корсун О.Ф.), осуществившего большую работу с этой ценней-
шей рукописью, но в силу отсутствия финансирования в 1994
возможности довести это нужное дело до завершения. За
организацию многостатейного комплексного рецензирования ру-
кописи крупнейшими учеными Ин-та Машиноведения РАН,
Ин-та Металлургии РАН, Московского Ин-та Стали и сплавов
ведущими
доктором тех. наук Подколзиным В.Г. и руководство фирмы
“Л.В.М. - СКРИПТ" (генеральный директор Лебедева Е.Л.) за
высококачественное издательское и техническое редактирование,
окончательную подготовку рукописи к изданию и издание книги,
активно способствовавших публикации этого труда.
ВВЕДЕНИЕ
При решении задачи подъема технического уровня и улуч-
шения качества деталей машин и мсталообрабатывающего инс-
трумента особое внимание следует уделять созданию материало-
и энергосберегающих технологий.
Условия работы деталей машин во многих случаях характе-
ризуются высокими механическими и тепловыми нагрузками,
наличием в сопряженном пространстве химически агрессивных
или образивных сред, что обусловливает необходимость разра-
ботки конструкционных материалов типа высоколегированных
сталей и сплавов, а кроме этого - разработку прогрессивных
методов поверхностного упрочнения с нанесением покрытий,
имеющих определенно заданные свойства. Однако одной моди-
фикацией видового состава конструкционного материала, напри-
мер, его объемным легированием, невозможно в полной мере
решить задачи современного машиностроения, хотя это и при-
водит к улучшению эксплуатационных характеристик сталей и
сплавов; дело в том, что такой путь развития машиностроения
ориентирован на использование значительных количеств крайне
дефицитных материалов, таких как хром, никель, молибден,
ресурса
модификации структурного состава используемого материала во
контактирующие поверхности деталей в ряде случаев ограничи-
вается поверхностным упрочнением. Согласно современным пред-
ставлениям о природе технического ресурса, повышение уровня
износостойкости деталей машин и механизмов связано нс столько
с увеличением твердости контактирующих поверхностей, сколько
ческой зависимостью как функцией интенсивности механического
износа от видового характера механического нагружения и
распределения локальных зон знакопеременных критических
ния деформаций и качественный переход процессов абразивного
истирания контактирующего материала в его хрупкое выкраши-
вание. Тем не менее, в общем случае под упрочнением материала
понимается повышение его твердости и других прочностных
характеристик.
способ поверхностного упрочнения
деталей. Структура распределения фактографического материала
справочника подчинена определенному порядку классификации
методов упрочнения и схем их технологической реализации, а
именно, - по способу воздействия на поверхностный слой металла
обрабатываемой детали: механическое (пластическое) поверхно-
стное деформирование, химико-термические (элементно-фазо-
вые) превращения, физико-термические (структурно-фазовые)
с об ла гаражи-
превращения, послойное
электролитическое осаждение и др.).
С целью ознакомления читателей с основными металловед-
приведены сведения о структуре металла и его дефектах, о
влиянии этих факторов на формирование прочностных свойств
металла и на характер его сопротивления механическим, тепло-
вым и химическим воздействиям; кроме того, здесь приведены
основные закономерности деформирования и разрушения метал-
лов с позиции теории дислокаций. Эти понятия весьма полезны
для восприятия информационного материала на основе единой
физики твердого тела.
Успехи в развитии физики твердого тела, например, в части
теории несовершенства кристаллического строения, открывают
широкие возможности для разработки практических методов
методов их упрочнения.
В промышленном производстве применяют разнообразные
методы упрочнения, причем с различной целенаправленностью и
широтой технологического освоения. Те из них, которые разра-
ботаны сравнительно недавно, зачастую составляют предмет
“ноу-хау”, недостаточно шикоро публикуются в научно-техни-
ческой литературе и поэтому применяются не так широко, как
традиционные. К таким новым методам относят: ударно-барабан-
ное упрочнение, местное глубокое пластическое деформирование,
магнито-ультразвуковую наплавку, вакуумно-химическое осаж-
дение из газовой фазы, электро-дуговую маталлизацию при
пониженном давлении среды инертных газов, плазменное напы-
ление в среде высокого давления и др. Высокая эффективность
этих методов обусловливает перспективность их применения в
различных отраслях промышленности. Перспективные направле-
ния развития технологий поверхностно-упрочняющей термиче-
ской обработки предполагают освоение и развитие новых методов
создания износостойких покрытий использованием в основном
тугоплавких износостойких материалов, т.е. покрытий на основе
металлоподобных и неметаллических соединений типа карбидов,
нитридов и т.п. Для таких материалов характерны высокие
показатели твердости, износостойкости и теплостойкости.
i имеет свою, особую
ку развития физико-
Поверхност
специфику, ко
различающимися факторами агрегатного состояния вещества, что
отражается в наименовании таких технологий: диффузионное
и детонационное
насыщение, ионно-плазменное,
напыление, осаждение из газовой фазы, наплавка, электроиск-
ровое легирование. Развитие этих технологий радикальным
образом изменяет форму и содержание производственного обо-
рудования поверхностного упрочнения, например, качественное
выполнение ионно-плазменного напыления подразумевает нали-
чие для этого разумно спроектированных, тщательно изготовлен-
ных и корректно эксплуатируемых вакуумных камер средней и
высокой степени разряжения. Такое же по качеству производст-
венное оборудование требуется и для выполнения поверхностного
упрочнения инструмента или оснастки в высокочастотной индук-
Образование упрочняющих покрытий из разнородных конст-
рукционных материалов приводит не только к модификации
материала поверхностного слоя, повышающей эксплуатационные
характеристики обработанного изделия, но и к образованию в
ряде случаев принципиально нового композиционного материала
поверхностного слоя, обладающего как высокой прочностью и
достаточной пластичностью, так и повышенной износостойко-
стью. Такие покрытия отвечают практически всей совокупности
требований эксплуатационного и технологического характера в
части твердости, износостойкости, теплостойкости, плотности,
прочности сцепления поверхностного слоя с материалом основы,
коррозионной стойкости. Известно несколько вариантов таких
композиционных покрытий, различающихся химическим составом
компонентов, числом и толщиной промежуточных слоев, типом
переходной к основе зоны, технологией и механизмом формооб-
разования слоев упрочнения.
При всем многообразии существующих методов поверхност-
ного упрочнения достаточно сложно обосновать и таким образом
остановить свой выбор на наиболее приемлемом методе нанесения
упрочняющего покрытия, поскольку это сопряжено с тщательной
проработкой всего технологического цикла изготовления целевого
изделия. Такой выбор определяется не только техническими
условиями на эксплуатацию изделия, но и рядом прочих,
немаловажных факторов технологического исполнения: собствен-
но химический состав обрабатываемого материала, его техноло-
упрочнения, способность аккумулирования прагматических досто-
инств обработанного конструкционного материала и материала
покрытия и т.д. Зачастую на выбор того или иного метода
поверхностного упрочнения влияет его очередность в составе всей
технологической цепочки производства изделия, т.е. влиянием
предыдущей смежной технологической операции на результатив-
ность нанесения упрочняющего покрытия или, наоборот, влия-
нием особенностей технологии выполнения упрочняющего покры-
тия на результативность предыдущих. Так, при изготовлении
режущего инструмента нанесение упрочняющего покрытия явля-
ется конечной операцией, поэтому несоответствие температурного
режима поверхя
упрочняющего покрытия тех-
всего технологического цикла, сводит на нет и достоинства
поверхностного упрочнения. Поэтому необходимо, чтобы выбор
требуемого метода поверхностного упрочнения не допускал
термического разупрочнения основного материала.
Для инструмента, прошедшего отпуск при температуре 180-
200°С (штампы для листовой штамповки), пригодны локальная
закалка, электроискровое легирование (ЗИЛ), упрочнение в
высокочастотной плазме при нормальном атмосферном давлении.
Методы хи
из газовой фазы применимы
только для нанесения покрытий на твердые сплавы, так как
температура нагрева покрываемой поверхности составляет 750-
1050'С.
Химико-термическую обработку (ХТО) применяют как при
высоких (от 900°С и более), так и при относительно низких
(450-600'С) температурах. После выс
(цементация, хромирование, хромтита.
дурной ХТО
и т.д.) для
получения требуемых свойств основы необходима термическая
обработка (с температурой насыщения или дополнительного
нагрева под закалку). Низкотемпературная ХТО применима для
сталей, подвергаемых закалке с высоким отпуском (например,
для стали марки 5 ХНМ).
Ионно-плазменное нанесение покрытий в вакууме применимо
для инструмента или оснастки, работающих при температурах
350-500*С. Материалом таких изделий могут быть твердые
сплавы, инструментальные быстрорежущие или высокохромистые
стали, либо - копмлексно-легированные стали.
Каждый из приведенных методов имеет свои преимущества
и недостатки, но они исследуются и разрабатываются для
использования в более широких объемах производства, клуцд
В справочнике приведены различные методы упрочнения
деталей машин и механизмов, в том числе: наплавка, металли-
зация, химико-термическая обработка, термо-механическая обра-
ботка, закалка Т.В.Ч., динамическое упрочнение, поверхностное
пластическое деформирование,
плазменное упрочнение, нанесение различных защитных покры-
Для упрочнения металлических и неметаллических материа-
лов используют также энергетическое воздействие взрывом, а
именно, упрочнение взрывам. Это осуществляется при нанесении
покрытия из порошковых материалов, при получении энергией
взрыва деталей из порошково-композиционных материалов (осо-
бых по составу синтезированных материалов); энергетическое
воздействие подразумевает лазерное и радиационное упрочнение,
упрочнение при воздействии импульсного электромагнитного
поля, электронно-лучевой закалкой, электро-гидравлическим де-
формированием. Особый интерес представляют методы упрочне-
ния в процессе производства металлических, керамических и
справочнике даны рекомендации применимости того или иного
метода упрочнения в соответствии с целесообразностью получа-
емого покрытия.
Все приведенные в справочнике методы поверхностного
упрочнения являются эффективным технологическим средством
повышения эксплуатационных свойств обрабатываемых деталей.
Например, химико-термическое осаждение значительно упрочня-
ет обрабатываемую поверхность, имеющую сложную геометри-
ческую конфигурацию, без критических изменений ее размерных
параметров или макроструктуры, увеличивая при этом коррози-
онную стойкость детали.
В связи с тем, что к ряду деталей машин ответственного
назначения предъявляют повышенные требования - иметь про-
чиую и вязкую сердцевину, а поверхность
твердую
одновременно жаропрочную (или коррозионно-стойкую), - пред-
ставляется целесообразным изготовление таких деталей из раз-
нородных конструкционных материалов. Таковыми являются
композиционные материалы. В главе 1.5 приведено описание
методов получения таких многослойных композиционных мате-
риалов: направленным взрывом, литьем, прокаткой, сваркой,
наплавкой, металлизацией, экструдированием, гальванопластикой
зволяет не только повысить эксплуатационную ценность изделия
из таких материалов, но и существенно сократить расходы на
•а конструкционный материал, отказавшись от перерасхода дорого-
* i стоящих металлов (никеля, хрома, меди, молбдена и др.). С
другой стороны, использование композиционного материала с
текстурно-ориентированными свойствами способствует появле-
нию оригинальных конструкционных решений в создании совре-
менных изделий машиностроения.
Упрочнение как составная часть обработки поверхностей
имеет большой опыт развития, но только в последнее время
появилась возможность реализации ряда смелых технологических
ятельство, что масса научно-технических публикаций относитель-
но технологии и теории упрочнения поверхности либо носит
монографический характер, либо имеет узко-целевое фрагмен-
изложение справочного материала с позиций анализа традици-
нения, включая сюда и те, которые пока не вышли за пределы
экспериментальных исследований, но явно перспективны в
ближайшем будущем.
Автор с искренней благодарностью отмечает, что кроме его
собственных изобретений в области технологии упрочнения,
многие сведения из разных источников информации, которые
груде и размышлениях о дальнейшем
совершенствовании этой прогрессивной технологии, подцержива-
Автор считает своим долгом принести особую благодарность
рукописи крупнейшими учен
тики, проф., д.т.н. Лютцау В.Г. и Межотраслевому Координаци-
онному Совету по материалам Бюро Совета Министров по
машиностроению за ценные советы и рекомендации, а также
профессорам, докторам технических наук Дроздову Ю.Н., Бело-
севичу В.К., Дерибасу, Гордиенко Л.К., Козорезову К.И.,
Алымову В.Т.,|Колтунову И.&7|Гринберг Н.А., Салибекову Л.К.;
доцентам, канд. тех. наук Пешкову П.Ю., Кобелеву А.Г.,
Архипову В.Е., Краковскому Е.Б.,
1.П'Зу7к
Рябь
вой Н.М., Вахалину В.?
Петрову Л.Н. за полезные замечания при рецензировании
рукописи, а также ученым Центрального Российского Научно-
исследовательского Института Авиационной технологии (докто-
рам технических наук Подколзину В.Г., Смирнову А.М., Панову
Б.И., Пушкову В.П., и их коллегам), принимав!
участие при научном редактировании рукописи.
Приношу мою глубокую благодарность всем рецензентам-ре-
дакторам за ценные советы и полезные замечания. Ф*
Технология газотермического напыления
1.1. Общие положения
Газотермическое напыление- это способ получения покрытий
из нагретых и распыленных частиц, получаемых в результате
газотермического диспергирования исходного напыляемого мате-
риала покрытия с применением высокотемпературной распы-
ляющей газовой струи, при соударении которых с основой или
подслоем ранее напыленного материала происходит их соедине-
ние посредством сварки, адгезии или механического сцепления.
состояния исходного на пыл яс-
мого материала в виде порошка, проволоки, прутика, шнура или
прокачиваемого расплава газотермическое диспергирование про-
изводится непосредственно в процессе напыления.
Газотермическос напыление представляет собой совокупность
самостоятельно проводимых технологических методов, функцио-
нальная задача которых заключается в образовании требуемого
технологического покрытия как средства упрочнения обрабаты-
ваемой поверхности конструкционного материала, т.е. производ-
ство упрочняющего покрытия, которое позволяет повышать
сопротивляемость основы защищаемого конструкционного мате-
вится целесообразным использование достижений высоких тех-
нологий. Прагматика газотермического упрочнения определяет
1. Газотермические покрытия
покрытий имеет
многоцелсвой характер. В этом смысле особенностью таких
покрытий является не только нх видовое многообразие, но и
результат совокупного взаимодействия трех основных природных
(феноменологических) факторов газотермического напыления:
I) вещества напыляемого материала;
2) энергетического способа газотермического диспергирования
напыляемого материала;
3) восприимчивости основы к сцеплению с диспергированны-
ми частицами напыляемого материала при определенном состо-
янии их агрегатно-фазовых превращений.
В зависимости от характера сочетаний этих трех факторов и
прагматики функционального назначения все газотермичсские
покрытия имеют следующую видовую (эксплуатационную) клас-
сификацию:
- антиадгезионное - износостойкое газотермическое покры-
тие, снижающее склонность контактирующих поверхностей к
адгезионному взаимодействию или схватыванию;
- антифрикционное - износостойкое газотермическое покры-
тие, понижающее коэффициент трения в рабочей паре трения;
- жаростойкое - коррозионностойкое газотермическое покры-
тие, повышающее сопротивление поверхности разрушению при
высоких температурах;
- защитное - газотермическое покрытие, защищающее
- корковое - газотермическое покрытие, сформированное на
основе в целях копирования ее формы или снимаемое с основы
для использования в самостоятельных целях;
- коррозионностойкое - защитное газотермическое покрытие,
- теплозащитное - терморегулирующее газотермическое
покрытие, снижающее воздействие тепловых потоков на
- терморегулирующее - газотермическое покрытие, обеспе-
чивающее регулирование поглощения или излучения поверхно-
стью тепловых потоков;
- термостойкое - газотермическое покрытие, обладающее**'
необходимой работоспособностью в условиях многократных из- "
мснений температуры;
- уплотнительное - газотермическое покрытие, обеспечи- ':
вающее необходимую стабильность зазоров в сопряженных J
элементах конструкции изделия;
- фрикционное ~ износостойкое газотермическое покрытие,»*
- эрозионностойкое - газотермическое покрытие, умень-JT
шающее результативность
дующая схема:
1зи приведенных разновидностей эксплу-*
еских покрытий системно отражает еле- и
КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ ГТН ' ЛМий -
ПО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОМУ ПРИЗНАКУ лит
2. Классификация методов
В основу классификации методов газотермического напыления
положены те (функциональные) признаки, которые имеют пре-
имущественное значение в организации технологии газотермиче-
ского упрочнения поверхности защищаемого конструкционного °
материала:
I) по виду энергии газотермического дна
методы газотермического напыления.
2) по виду источника тепловой энергии, необходимой для
обеспечения процессов гезотермического напыления. Этот при-
знак является доминирующим при
технологического метода газотермического напыления, поскольку
заключает в себе особенности физико-химических процессов,
связанных с феноменом газотермического диспергирования
ского напыления:
зависимости от термодина-
кого источника газотермиче-
высокочастотное плазменное (ВЧ-плазменное)
ние - разновидность плазменного напыления;
- газопламенное напыление - метод газотермического напы-
ления, при котором используется струя продуктов сгорания смеси
газов, сжигаемых посредством горелки;
- детонационное напыление - метод газот
ления, при котором используется струя про
сгорания в
- плазменное напыление - метод газотермического напыления,
при котором используется плазменная струя;
- плазменно-дуговое напыление - метод газотермического
илпыления, при котором плазменная дуга создается посредством
горения электрической дуги;
- тигельное напыление - метод газотермического напыления,
при котором используется напыляемый материал в виде расплава,
распыляемого нагретой газовой струей сжатого воздуха;
- электродуговое напыление - метод газотермического напы-
ления, при котором нагревание металла в виде проволоки, прутка
или ленты производится электрической дугой, а диспергирование
его расплава - напорной струей сжатого газа.
Ниже приведена системная классификация методов газотер-
мического напыления по виду источника энегрии термического
диспергирования.
КЛАССИФИКАЦИЯ
ГАЗОТЕРМИЧЕСКОГО НАПЫЛЕНИЯ
ПО ФУНКЦИОНАЛЬНОМУ НАЗНАЧЕНИЮ
3) по виду компактного состояния исходного напыляемого ।
материала - этот признак является доминирующим при орган и- ,
зации подачи напыляемого материала в рабочую зону газотер- ।
мического диспергирования.
4) по виду защиты рабочей зоны газотермического напыления - ।
газотермическое напыление без защиты, с местной или общей ।
защитой в герметичной камере. Газотермическое напыление без •
защиты проводится в условиях нормального (атмосферного)
термичсского напыления и использование оптимальных размеров
диспергируемых частиц: от 10 до 200 мкм. При меньших размерах
частиц напыляемого материала их кинетическая энергия как
характеристика в части количества ударного импульса может
оказаться недостаточной для требуемого механического взаимо-
действия с основой напыляемой поверхности, а при воздействии
па такие частицы высоких температур возможно их перегревание
и образование продуктов термического разложения, что не будет
соответствовать необходимым условиям достаточного сцепления
с основой. При величине напыляемой частицы более 200 мкм
возможно ухудшение условий газотермической адгезии и качества
напыляемого покрытия из-за недостаточного прогрева материала
напыляемой частицы и неполной завершенности ее агрегатно-
фазовых превращений.
При общей защите рабочей зоны газотерь
технологический процесс проводится в условиях полностью
контролируемой атмосферы, когда в объеме рабочей камеры
давление газовой среды. При этом давление в камере может быть
нормальным, повышенным или пониженным. Газотермическое
напыление в контролируемой атмосфере, где непрерывно поддер-
живается заданное разряжение, называется газотермическим
напылением в динамическом вакууме. В таких условиях проведе-
ния газотермического напыления возможно диспергирование
напыляемых частиц размером менее 10 мкм, поскольку энтропия
газовой среды динамического вакуума позволяет выполнять
газотермическое диспергирование на атомарном уровне.
5) по характеру периодичности распыления газотермического
потока - газотермическое напыление непрерывного, циклического
или импульсного режима напыления. Периодичность распыления
газотермического потока может быть обоснована не только
особенностями геометрии или размерами обрабатываемой повер-
хности, ио и спецификой термодинамического состояния гезотер-
мического потока.
6) по степени механизации и автоматизации технологических
операций газотермического напыления - газотермическое напы-
ление ручным методом (когда механизирована только операция
доставки технологических материалов в зону газотермического
диспергирования); при этом все рабочие параметры процесса
газотермического напыления контролируются оператором и уп-
равляются им вручную. Механизированное газотермическос на-
пыление устраняет участие оператора в ориентированном пере-
мещении распылителя относительно обрабатываемой поверхно-
технологических параметров: расхода технологических материа-
лов, температуры и скорости газо-дисперсного потока напыляе-
мых частиц, температуры основы и т.д. Полностью автоматизи-
рованное газотермическое напыление проводится без операцион-
ного вмешательства оператора в проводимый технологический
процесс на протяжении всего рабочего цикла. Ход проведения
такого технологического процесса определяется содержанием
программного обеспечения (операционный “софт-вейер") и уров-
нем “интеллекта” управляющего процессора (операционный
“хард-вейер”) в составе оборудования компьютерного обеспече-
ния, вплоть до организации диагностического контроля парамет-
ров газотсрмнческого напыления и выдачи ожидаемых данных,
характеризующих качество газотермического покрытия.
Принципиальная схема процессов ГТН приведена на рис. 1.1
плавления,!.*—величина перекрытия воздушной струей очага плавления.
3. Напыляемый материал
газотермических покрытий
частиц с основой, все технологические газотермические покрытия,
однозначно соответствующие методу газотермического напыле-
ния, подразделяются на:
- газопламенные - газотермические покрытия, получаемые
газопламенным напылением;
газотермические покрытия, получаемые
плазменные
- плазменно-дуговые - газотермические покрытия, получае-'
мые плазменно-дуговым напылением;
- электродуговые - газотермические покрытия, получаемые
электродуговым напылением;
- детонационные - газотермические покрытия, получаемые
определяющих факторов поверхностного упрочнения методами
поскольку феноменологически за-
дает определенные физико-механические и другие эксплуата-
ционные характеристики напыляемого покрытия.
Обширная номенклатура напыляемого материала является
результатом непрерывного поиска и использования новых про-
грессивных конструкционных материалов, что, в свою очередь,
стимулирует выполнение многочисленных разработок новых
типов сплавов, композиционных порошков и механических смесей
порошковых материалов, позволяющих при соответствующей
модификации производства получать новые газотермические
покрытия заданного функционального назначения, включая сюда
и специальные покрытия, имеющие уникальные эксплуатацион-
ные характеристики. В таблицах 1.1 -1.8 представлены основные
типовые порошковые материалы как исходные для производства
газотермических покрытий.
Таблица 1.1
Порошки металлов для газотермического напыления
к'~“ £££•
Коррозионно-стойкое покрытие
корковое покрытие - восстановление изношенных деталей из алюминиевых и магниевых сплавов.
2842-7840) 1 i h illiii liiJiiil
Ммъ Газопламенное HRB 31-65 Теплозащитное покрытие. электропроводности; деталей из меди я медных
ХА», * Плазменное 1480-2950) Жаростойкое покрытие общего актнадгеэвокно-жаростойкое чугуна, стали и меди;
корковое покрытие -
HRB 35-70 износостойкое покрытие - деталей из никеля в никелевых
Татей 99-99,5 Т. Плазменное HRB 65-70
общего назначения.
Ттеш 99,8-99,9 И 1510-1850)
противодсйетаи. коррозии а
(МпТ*4900) Жаростойкое покрытие - защита от высокотемпературного износостойкое покрытие - предупреждение высокотемпературного изнашивания.
Цвнк 99.7-99ЛЙ. Г"“" Коррозионно-стойкое покрытие - морской коррозии.
Таблица 1.2
Порошки сплавов для газотермического напыления
хрожишй 20 С Плазменное назначения; подслой газотермического покрытия.
бор- 13-2,4 В 2.3-3.5 Я HRB 13-40 назначения.
с“~
R s 2,7-20 От, 1.445* 1.25-5.5 Я 0,8-5,5 Fc 0,45-0,85 С Износостойкое покрытие -
Плазменное HRB 15-65
поверхностями или абразивными
защита от фретннг-коррозии;
обычных или повышенных температурах среды.
О№.И»«- 5-31 А1 подслой газотермнчссхого
щелочных в солевых растворов.
““""И"'- - Корковое покрытие -
деталей из никелевых сплавов; жаростойкое покрытие общего назначение;
м^бде- 11 AI; 0.5 Y; 0,5 Мо Ж^осгоИте покрыта, общего
корковое покрытие -
деталей из имхеленых аыавоо.
HRB80 корковое покрытие - деталей из коррозионно-стойких
Никель- 16.5-17 Мо; 4.5 W; 5.5 F« Износостойкое покрытие общего
И
тюбиеиый 3 Ft’ Имиоиоа.0. тжриие общего
общего назначения.
^нТый 15-15,5 Or, 32-32,5 Mo: HRC 62 назначения;
общего назначения.
lull! 3-4 В; 3,75-4,0 SI; 1,75-3,0 Mo; HRC 58-63 Износостойкое покрытие общего
ебщег» >й11и.чон»я.
iuiii 11,5-13 O; 2Л-2.7 B; 3,25-3,6 « 0*55-0,75 HRC 52-63 Износостойкое покрытие общего назначения; коррозионно-стойкое покрытие общего назначения.
bti HRC 70 5S”XчXoe"°,tp“,”
p HRC 42 Износостойкое покрытие общего
кремниевые 2S-2S.5 Mo; HRC62 назначения.
кремниевый 4.5 W; 2.4 B; 1.6 SI 1ШС54 Износостойкое покрытие общего
/R 26.8-27 N; 18-183 В; 53-6 М<г. 3-3.2 В; 3.3-33 SI Газопламенное HRC 47-53 —
6ф кремниевые 13-30 NI; HRC 35-40 И”"”"0*”
HRC 35-40 локри’"' °йц'г°
3-12 AI; 0.34)3 V HRC 35-40 покрытяе общего
38 NI HRB 65-72
защита от фрстннг-коррозяя; эрозионностойкое покрытие -
ИНДИЕЙ 36.5 NI; 5.0 1в Плазменное HRB 65-72
защита от фретяж-хорроз»..
12 SI Газопламенное Корковое покрытие -
магниевых сплавов.
нннадиевый 6 А>; 4 V Плазменное HRC35 Корковое покрытие - восстановление изношенных
0,1-0.15 С HRC27 Износостойкое покрытие общего корковое покрытие - деталей из углеродистых сталей.
с““ T““Z^‘e
Чугун температурах контакта пар трения твердыми поверхностями
твердое подшипниковое покрытие.
Хромо- JO-14 NI; 2ЯЛМ» 0,8-1.0 Я; HRB 80-92
i’o2CC “ покрыта, овщкта
общего назначения.
Хрон- 0.14 С коррозионно-стойкое покрытие общего назначения.
0,6-0.8 Я; 0,2 С - П<ЖР“’Яе °6Щ'Г°
общего назначения.
Е?’“' 9.5-16,5 О, 0,02 С Износостойкое покрытие общего коррозионно-стойкое покрытие
НЧ 12,9 Ст, 2,8 С назначения; ₽
общего назначения.
= 9.5-10 А1
HRB 50-85 эроэионностойкое покрытие - защита от кавитации;
деталей из меди и медных
Список порошков фирмы “Melco” дм газотермического
1 группа. Порошки из металлических сплавов:
4 С - NS Коррозионно-стойкая сталь, тип 316; 41 F - NS
К»р|>озиош<о-стойкая сталь, тип 316; 42 С Коррозионно-стойкая
стиль, тип 431; 43С-МЯНикель - 20, хром; 43 F - NS Никель
20. хром; 43 VF - NS Никель 20, хром; 44 Никель - основа,
к|«1м; 45 - NS Кобальт - основа, хром вольфрам; 45VF - NS
Кобальт - основа, хром вольфрам; 91 Низкоуглеродистая сталь.
II группа. Порошки иа основе цветных
и тугоплавких металлов:
алюминий; 53 цинк; 54 NS алюминий; 54 NS-1 алюминий;
55 Медь; 56 С - NS никель; 56 F - NS Никель; 57 NS Медь,
никель; 58 NS Медь, Нихель, Индий; 61 Вольфрам; 62 Тантал;
63 NS Молибден; 66 F - NS Кобальт, Молибден, Хром; 68 F -
NS-I Кобальт, Молибден, Хром.
Ш группа. Порошки карбидов и смеси на их основе:
кобальта; 71 FV-NS Смесь карбида вольфрама и кобальта; 72
F - NS Смесь карбида вольфрама и кобальта; 74 SF Композит
карбида вольфрама с кобальтом, композиционный порошок; 75
F Композит карбида вольфрама и кобальта; 81 NS Карбид
х|х>ма - нихром; 81 VF-NS Карбид хрома - нихром; 82 VF-
NS Карбид хрома - нихром; 83 VF-NSКомпозиционный порошок,
IV группа. Оксидно-керамические порошки
(всего 27 марок):
101 NSСерый глинозем; 101 B-NSCepuft глинозем; 101 SV'
Серый глинозем; Двуокись титана; 105 NS Окись алюминия;
10$ NS-1 Окись
105 Р
чистоты; 106 SFpОкись хрома; 106 FОкись хрома; 110 Окись'
алюминия, двуокись титана; 111 Окись хрома, двуокись титана; .
130 Композит алюминия, двуокись
130 SF Композит.
алюминия, двуокись титана; 131 VF Композит алюминий, м
двуокись титана; 136 F Композит окиси хрома и кремния;
143 Композит двуокиси циркония, двуокиси титана, окиси итт- ,
рня; 201 NS Окись циркония; 201 B-NSOkhcb циркония; 201 „
В-NS-1 Композит окиси циркония - керамика; 202 NS Композит t
окиси циркония; 204 NS Окись иттрия, стабилизированный <
диоксид циркония; 204 В-№Окись иттрия, стабилизированный
диоксид циркония; 205 NS Двуокись церия, окись иттрия,
стабилизированный диоксид циркония; 210 NS Магний цирконат;
210 NS-1 Магний цирконат; 210 NS-1 - G Магний цирконат;
212 F - NS Алюмомагнезиальиая гипинель.
V группа. Металлокерамические порошки.
(всего 17 марок):
301 1Ч8Нитрид бора; 301 C-NSHhtpha бора; 303 NSМагний
цирконат-иикель хром; 303 NS-1 Магний цирконат-никель хром;
307 NS75 никель - 25 графит; 307 NS-175никель - 25 графит;
307 NS-275 никель - 25 графит; 307 NS-3 75 никель - 25 графит;
308 NS 85 никель - 15 графит; 308 NS-185 никель - 15 графит;
308 NS-3 85 никель - 15 графит; 309 NS-3 80 никель - 20 графит;
310 NS Композит алюминий графит; 311 NS Композит алюми-
ний, бентонит (разновидность природной отбеливающей глины);
313 NS Композит алюминий-графит; 314 NS Композит никель,
хром, алюминий, бентонит.
VI группа. Композитные порошки и смеси
(30 марок):
350 NS Композит высокоуглеродистое железо, молибден;
350 С Композит высокоуглеродистое железо, молибден; 404 NS
Никель алюминид; 410 NS Глинозем - никель алюминид; 411
Глинозем - никель алюминид; 421 NS-1 Цирконат магния -
никель алюминий; 421 NS-2 Цирконат магния - никель алюми-
ний; 430 NS Карбид хрома “Никель алюминид”; 440 Композит
никель, хром, железо, молибден, алюминий; 441 NS Металлоке-
рамика; 442 Самососдиняющийся нержавеющий композит;
443 NS Композит никель, хром, алюминий; 444 Самосцеп-
ляющийся нержавеющий композит; 445 Самосцепляющийся
композит алюминий, бронза; 446 Композит алюминий, железо,
хром, никель; 447 NS Самосцепляющийся композит никель-алю-
миний-молибден; 448 Самосцепляющийся композит низкоугле-
родистой стали; 449 Самосцепляющийся композит высокоугле-
родистой стали; 449 Р Высококачественный самосцепляющийся
композит высокоуглеродистой стали; 450 NS Высококачествен-
ный никелево-алюминиевый композит; 450 Р Высококачествен-
ный никелево-алюминиевый композит; 454 Хромоникелевый
алюминий; 452 Композит никель, железо, алюминий; 453
Композит никель, железо, алюминий-молибден; 461 Композит
никель, хром, алюминий окись натрия;
нержавеющей стали на основе высокохромистого железа; 465
Композит на основе высокохромистого железа; 480 NS Сплав
никеля и алюминия; 501 Самосцепляющаяся молибденовая смесь;
505 Самоплавящаяся высокомолибденовая смесь.
VII группа. Порошки на пластиковой основе:
600 NSПолиэстер (сложный полиэфир); 601 NS Кремне-алю-
мнпиевый полиэстер; 605 NS Композит бронзово-алюмивиевый
полиэстер; 610 NS Композит бронзово-алюминиевый полиэстер;
625 Связующее покрытие для пластиковой подложки (основы).
Новые порошки из сплавов
(в скобках дана твердость по Роквеллу, шкала Сэ):
700 Сплавы на основе никеля, для аморфных покрытий
(40-45);
700 F Сплавы на основе никеля, для аморфных
покрытий (40-45); 750 Новый твердый сплав для наплавки
(57-66); 750 F Новый твердый сплав для наплавки (50-55).
Типичные покрытия фирмы “Метко”:
Metco 71 NS. 71 VF - NS-1, 72 F, and 73 F карбид вольфрама,
Metco 81 NS. 81 VF-NS карбид хрома-иикель хром;
Metco 45С, 45VF Сплав хрома никеля, вольфрама на основе
кобальта;
Metco 66 F - NS, Сплав молибдена, хрома, с высоким
содержанием кобальта;
Metco 68 F - NS-1 Сплав молибдена с высоким содержанием
кобальта и высоким содержанием хрома;
Metco 202 NS Оксвд циркония;
Metco 204 NS Оксид циркония, стабилизированный оксидом
Metco 205 NS Окись церия, окись иттрия, стабилизированный
оксид циркония;
Metco 210 NS-1,210 NS-1G Цирконат магния;
Metco 307 NS, 308 NS, 309 NS Никель графит;
Metco 450 NS, 480 NS Никель алюминий; « I
Metco 610 NS Алюминий - полиэстер;
Metco 610 NS Алюминий - бронза - полиэстер.
Созданы новые материалы для плазменных покрытий:
ВТСП - высокотемпературные сверхпроводники, напыляются
покрытия системы V1Ba1CuJO,x, других систем (на основе
оксидов иттрия, висмута и т.д.).
Перечень порошков металлов хорошо, себя зарекомендовав-
дующих.
-»7К
Порошки бескислородных тугоплавких соединений
и твердых сплавов для газотермического напыления
Таблица 1.5
Композиционные порошки (плакированные)
для газотермического напыления
Таблица 1.6
Композиционные порошки (конгломерированные)
для газотермического напыления
К..»,.».
35 графита Уплотнительное покрытие - саморегулирующихся уплотнений
температура 15-480* С.
Таблица 1.7 Механические смеси порошков для газотермического напыления
Ъшоетедши Ка^чсмж
карбидом HRC 54-62 Карбид HRC 75 конакта пар трения твердыми поверхностями иля абразивными коррозионно-стойкое покрытие - защита от фретянг-коррозии; Эрозвоююстойкое покрытие
хром- бор- кремниевые <WC-l2Co> - - -j. ИЯтЖ .
(WC - 8NI> HRC 58-60 1 Износостойкое покрытие - защита от абразивного
плакирован- — i коррозионно-стойкое покрытие - защита от фретянг-коррозии; эрозионностойкое покрытие
llura.
S’. Износостойкое покрытие - или абразивными частицами; антифрикционное покрытие -
.и 1 ’|*ШЧ" — HR6^>33 защита от абразивного изнашивания при обычных или
антифрикционное покрытие - твердые подшипниковые корковое покрытие - деталей из материала
хром- ^няе ый порошком вольфрам- кобальто- (WC-12C0); КП (Nh-AI); 1 изнашивания при обычных или повышенных температурах контакта пар трения твердыми поверхностями или абразивными
J
Н'Н<ущ •| ilHI IIRC .50 Карбид HRC 7$ Износостойкое покрытие - коррозионно-стойкое покрытие - защита от фретинг-хоррозаи.
4»НК»Ю HRC;#^7_ ««Л ! защита от абразивного изнашивания при обычных или
ХОМ11ОЗИНИ- лорошком
защита от фретинг-коррозяи;
хро6"-™
Х^мом 7-М NICr HRC 32-54 Тоже.
hlil 1’ Nl HRC71 ’,0’Ф“’"е °бЩ"°
Карбид «С» Тоже.
ill lift
коиструкияохных зазоро».
алюминий" бор» Р мжСжмаи;; • ••
re«v пм MnvN-жв Таблица 1.8
Полимерные порошковые материалы
для газотермического напыления
Нл.мчеииг
Фторплзст-1 Сталь 20 ipj it НТ
Cwn.20 Коррозионно-стойкое покрытие - защита от карбонильной
Полиэтилен менный 20 Защит» от минеральных кислот.
Пентапласт Корковое покрытие.
менный Корковое покрытие; уплотнительное покрытие.
4. Газотермическое диспергирование ]
напыляемого материала
Исходный напыляемый материал подается в зону газотерми- j
ческого диспергирования в виде порошка, проволоки, прутка,
набивного шнура, расплава. В зависимости от вида исходного 1
материала и технологического метода газотермического напыле- J
ния диспергирование напыляемого материала обнаруживает соб- I
ственные феноменологические свойства, проявляющиеся прежде 1
всего в показателях порционного расхода технологических мате-
риалов - (собственно напыляемого материала и ему сопутст- ;
скорости доставки технологических материалов в j
вующих), - I
зону газотер*
, в степени равномерности j
уровнем автоматизации !
технологического процесса и контроля за его прохождением. '
При большом разнообразии методов организации газотерми- ;
ческого диспергирования существует единая феноменологическая ,
основа их оценки и реализации, выражающаяся комбинационным .
сочетанием трех самостоятельно реализуемых способов физико- •
химического диспергирования вещества напыляемого материала •
в зависимости от природного энергетического источника диспер-
гирования: термического, газодинамического, термохимическо-
го. Эти три способа реализуются при газотермическом напылении
' в их взаимозависимом состоянии, но таким образом, когда
• преобладающее влияние одного из них определяется стадией
Основными термодинамическими факторами, влияющими на
характер газотермического диспергирования напыляемого мате-
риала, являются:
- градиент температур по объему частицы напыляемого
материала;
относительная скорость каждой частицы относительно сопряжен-
ной окружающей среды двухфазного газотермического потока по
сечению объема газотермического факела;
- энтальпия газотермического факела и ее влияние на
Структурная схема ГТН напыления покрытий представлена
на стр. 44-45.
Термическое диспергирование проявляется в нарушении ком-
пактного состояния напыляемого материала при его оплавлении
что является необходимым условием распыления диспергируемого
материала на мельчайшие частицы прокачиваемым высокоскоро-
стным газодинамическим потоком. Энергия термического диспер-
гирования расходуется на преодоление энергии внутренних связей
вещества напыляемого материала (в зависимости от природного
характера химической связи самого вещества) и характеризуется
в основном его температурой плавления (см. таблицу 1.4), а
также различными критериями оценки термодинамического со-
стояния расплавляемого материала при конкретном методе
лении - параметром трудности плавления (величира D) для
оценки условий диспергирования в высокотемпературной газовой
I где D - параметр трудности плавления диспергируемоЙЧастицы;
! 'пл - Удельная энтальпия расплава (при Тпл); Jo-
Пр - степень использования экзотермического эффекта на
участке нагрева напыляемого материала до рвеплавле-
мь ния; н vBhwio .
-о - удельный массовый экзотермический* 1 ^Вфек+ взанмо-
“ действия; '
-«• и! ТО НТК»' !
рч - плотность материала частицы; .лнмдът :»
ня Bi - критерий Био. ..^1 нц.. хтэ «п. аЛ
2) В случае отсутствия эффекта теплового воздейст вия н при нагревании до температуры плавления напыляемого материала в условиях, когда величина Сэ - мтАки теплоемкое» расплав» орк Т ; Сэ - i„'T„ Таблица J.9 Характеристики термодинамического состояния вещества напыляемого материала (при термическом диспергировании)
м"'р“ 2SX юи Лдх’ -.'l-
Металлы
А1 962 0.265 251
AI 660.5 2450 859 217 0.664 236
Со 1494 3100 442 55,0 1,420 132
Сг 1903 2480 427 66 2.132 138
Си 1084.1 2595 385 393,5 0,644 380
Ft 1538 3200 448 73 2.081 108
м« 650 1107 - 0,480
Мо 2617 5680 251 145 1,554 190
Nb 2469 3300 гм 64 1,190 132
NI 1455 2900 440 89 1,551 190
Pl 1772 3827 0,435 -
Re 3180 5627 1.220
SI 1415 3300 - 2,846 69
Sn 232 2450 0,052
T»..c ” Л,
Та 2997 6100 176 63 0.896
Ti 1608 3827 - - 1,310 83
w 3387 6000 150 П2 1,270 183
Zn 419 906 0,156 -
Zr 1855 4340 0,625
Оксиды
Ч°з 2046 2980 1*04 6,88 56
ВсО 2550 4120 29,60 106
Cr,O. 2265 3000 0.83 13.2 4.57 37
ад 2217 4120 1.18
MgO 2825 3600 14,75 53
NIO 1957 - 4,45 48
SIO, 1713 2950 0,75 1,592 1,44 48
T*A 1785 2227 0,92
1870 2927 3,85 36
*A 2430 4300 2,45 22
ZrO 2900 4300 4,16 31
Бориды
CrB, 2150 082 310 2,96 172
TiBj 2790 10,75 137
ZIB, 3000 43.2-59.4 24,3-22.6 11.45 | 200
Карбида
ад 1890 3800 0.42-0,62 20,9 2.28 106
HfC 3890 5400 9,06 90
TaC 3985 5500 6.37 133
OU.-C »”ГЛЧ * к
TIC 32S0 4300 О8М'“ 17,! 39,8 9.96 140
WC 3143 6000 0.20-0,54 45,2 2.10 105
ZK> 3530 5100 0*20-0*54 34.7 6.29 113
Нитриды
TIN 2950 1275-2256 2452-3041 155 8.70 183
ZrN 2980 4300 490-1373 13,8 6.46 99
Силициды
MoSI, 2043-2100 0.4! 0.54 И4 3,84 107
1480-1540 0.33-0,50 0.83-1.00 4.13
.___ Таблица 1.10
I « ’ Теплофизические характеристики порошковых
ГТ' материалов при плазменном напылении
м L н L
1 " 1 - 1 1 “ 1 - 1 " 1 г
м
*« 0.001 (L002 0.019 312 АЦО, 0.043 0.139 1.200 0,98
AI 0.001 ОДО 0.040 43 0,016 0.053 0,459 1,72
Со 0,005 0,017 0,0150 <>А 0.087 0.290 2520 0,61
Сг 0,004 0,015 0.126 20 НГО 0,129 0.428 3,710 0,5!
Си 0.001 0.002 1 0.021 106 MgO 0.045 0.150 1,300 0,93
Ш Г" Bl
Af N
чюмн-нжна 0.014 0.116 23 N*o 0.060 0,200 1.730 0.89
Fe 0.008 0.027 0236 9.6 CbO. 0.039 0,129 1,114 1.42
Сталь ТЮ, 0.082 0.273 2.36 0.63
12Х1Я1 0.011 0.036 0.316 5.3 v,o 0,180 0,600 5,20 0,42
Чугун 0.013 0,045 0,390 6.1 ZrO, 0,112 0.375 3,25 0,54
Mo 0.003 0,009 0.07S 36 0.0S2 0.173 1.50 0,79
Nb 0.004 0,014 0.122 26 ZrO SIO 0.087 2,52 0.74
Nl 0.004 0.108 16
NiCr 0.001 0.037 0,321 7,6
SI 0.008 0,217 16
Tl 0.012 0.039 0.332 6.4
w - 0,009 0.076 53
Тугоплавкие соединения
СгВг2 0.008 0.026 0,227 3,5 Cr„C 0.007 0.024 0,205 3.8
ПВ2 0.01 0,035 0.300 2.9 HfC 0.013 0,042 0,363
ZrD, 0.002 0ДО 0.073 26 NbC 0,015 0,048 0.419 4.6
0.008 0,027 0.236 3,2 SIC 0.025 0,083 0,716 1.8
сА 0,010 0,032 0,278 2.8 TaC 0.007 0,023 0.197 12.7
0,006 0,018 0,160 19,4 iic 0,006 0,020 0.177 8.3
WC-6%Co 0,005 O.015 0,133 17,1 VC 0,011 0,037 0.317 4.0
WC-lO%Co 0,005 0,015 0,133 18,2 wc 0.007 0,034 0.269 11.7
WC-15%G> 0.011 0,311 7.2 ZrC 0,007 0,025 0.217 9.8
WC-30%Co 0,005 0.155 14.1 TIN 0.004 0,013 0,113 12.2
Mos, 0,044 0,147 1,279 1.6 ZrN 0,001 0.036 0.311 6.5
OJT
Критерии Био и Фурье являются оценочными для выполнения
расчета температуры частиц, переносимых в среде газотермиче-
ского факела, выполняемого при решении типовой задачи
нестационарной теплопроводимости в сферических телах, -
температура в любой точке частицы есть результат конвективного
обмена (без учета нагревания от излучения):
- SinfPj-X) =»
Т=Тс+СГ,-Т<)2А,-------^expC-P’Fo),..
хошр, - pi- vosp(
П₽И = pi - Stop; Cosft '
где р, - корни уравнения: р ctgP = 1 - Bi;
Bi - критерий Био; Bi =
Fo - критерий Фурье; Fo
Hqn »>»-!draiTi<C
а - коэффициент температуропроводности частицы, м2/с
С„ - удельная теплоемкость частицы, Дж/ (кг- К); ~ |
А. - коэффициент теплопроводности частицы, Вт/ (м- К);
го - начальный радиус частицы, м;
г - текущий радиус частицы, м;
т - время нахождения частицы в газотермической среде, с;
То - начальная температура частицы. К;
Тс - температура среды газотермического факела, К;
Где N, - критерий Нуссельта;
N = 2+ O,O3Pr° u ReW4+ 0,35Pt““- ReW8;
Re - критерий Рейнольдса; Re = tod/v,;
Pr - критерий Прандтля; Pr=ptCpA^
' Вт/(м- К);
V, - коэффициент кинематической вязкости газотермической
о - относительная скорость частицы (к газотермической
среде), м/с;
Ср - теплоемкость транспортирующего газа при i постоянном
давлении, Дж/(кг- К); цг - коэффициент динамической вязкости газот< d - диаметр частицы, м Примечание. При значениях критерия Рейнольдса 150-30000 гаэо-ермического потока): а - 0,62(X/d) Rew,... где X, - коэффициент теплопроводности транспортирующего газа, фмической коэффициент^, двухфазного! , Вт/(м- К); 1
Для расплавления напыляемых частиц требуется оп| количество тепла, равное энтальпии частицы при ее (см. табл. 1.11). Чем ниже эта величина, тем быстр ределенное плавлении 4 потоке.
Таблица I.Il
Энтальпия при нагреве и расплавлении резличных
огнеупорных материалов
.2=, кДж/кг 1 «Дж/кг 1 2='
Металлы:
алюминий 574 385 959
никель 641 306 947
кобальт 654 272 926
сталь 683 272 955
Окислы:
окись алюминия 1718 670 2388
окись магния 2723 1757 4480
двуокись циркония 1818 587 2405
двуокись титана 1555 578 2133
окись хрома 1905 565 2471
Карбида:
титана 1793 1801 3594
вольфрама 720 405 1125
кремния 1350 1540 2890
Газодинамическое диспергирование напыляемого материала
проявляется в динамическом дробл
расплавляемого
материала, сдуваемых напорной газовой струей с последующим
их дроблением при определенном термодинамическом состоянии
В условиях турбулентного переноса напыляемых частиц на
основу высокоскоростным газовым потоком газодинамическое
диспергирование оценивается критерием Вебера:
We = p/l(V,-V)/a,
где 't/е - критерий Вебера;
р, - плотность диспергирующего газа, кг/м3;
V, - скорость движения газового потока, м/с;
V - скорость движения капли, м/с;
о - поверхностное натяжение жидкой фазы напыляемого
материала, Дж/м!.
Расчетные значения чисел Вебера, характеризующие распад
капель в динамическом газовом потоке, изменяются от 6 (для
жидкой фазы напыляемого материала с низкой вязкостью) до 10
(для жидкой фазы напыляемого материала с высокой вязкостью).
Газодинамическое диспергирование капель расплавленного напы-
ляемого материала начинается при их относительной (к газоди-
намическому потоку) скорости движения 100 м/с.
Наиболее показателен факт газодинамического диспергирова-
ния при прутковом напылении, когда оплавление исходного
материала начинается с торца прутка и имеет различимый
капельный характер. При таких условиях газодинамическое
диспергирование характеризуется величиной образуемой жидкой
капли, задаваемой, в свою очередь, силой поверхностного
натяжения расплава напыляемого материала, весом капли и
ударным импульсом воздействия прокачиваемой газовой струи.
В общем случае условие равновесного состояния капли:
е$р,((Й2) + G = ndso,
где выражение eSp,«02/2) - уравнение Ньютона, определяющее
величину силы сопротивления диспергируемой капли относитель-
но газовой среды;
е - коэффициент сопротивления газовой среды;
рг - плотность газовой среды кг/м3;
t
м/с
о - поверхностное натяжение расплава напыляемого мате-
Если пренебречь малой величиной силы тяжести капли и
допустить, что сама капля в начале процесса газодинамического
диспергирования имеет сферическую форму, то равновесное
состояние капли примет вид: поцд
откуда диаметр капли:
Расход диспергирующего
процесса газотермического диспергирования - подставив в по-
следнее уравнение вместо величины (О ее термодинамическое
выражение а>0(1 + аТ), определяемое как (1+ tfl), и прини-
ргируемой час-
<Х1+0,003б7)Т Рг ’
где Q - расход диспергирующего газа, кг/с;
Т - температура газовой среды, К.
интенсивность их газотермического диспергирования в большой
мере определяются плотностью диспергируемого вещества, что
иллюстрируется данными, приведенными в таблице 1.12. .JH
Зависимость скорости движения
напыляемых частиц в газотермическом потоке
от плотности напыляемого материала
Cl^”'
Окись алюминия 3600 190
Хромоникелевый сплав 8700 122
Карбид вольфрама ♦ 12% Со 13000 90
Вольфрам 19300 63
Напорное распыление формирует структуру газотермического
факела на два внешних участка распыления, термодинамическое
состояние которых определяет как характер газодинамического
диспергирования частиц напыляемого материала, так и энергию
активации основы.
в пределах
с.р,^д I ’
- скорость прокачиваемого газового потока, м/с; I.»
плотность газового потока, кг/м3; ♦
площадь поперечного сечения частицы, м2;
- коэффициент лобового сопротивления частицы;
m - масса частицы, кг.
Если рассматривать скорость движения диспергируемой час-
тицы с учетом плоскости вещества ее материала, то скорость
пролета такой частицы в пределах начального участка будет <
Осевая скорость напыляемой частицы при вхождении в зону
0.96
0.29
>ЙПМПБН
где - величина, которая определяет характер газодинамиче-
ского состояния распыляемого потока по его сечению в основной
la турбулентность вихревого
мой частицы задается техни-
ческими средствами распыления. Так, при проволочном напыле-
нии экспериментально найденная величина турбулентного состо-
яния газового потока составляет:
где d£- го материала, м;
Do - диаметр газонапорного (воздушного) канала, м;
а, - коэффициент турбулентности для данного сопла (без
наличия проволоки исходного напыляемого материала).
„ При Do - 3 мм - а, - 0,057; при D, - 6 мм - а, - 0,056.
С учетом турбулентного характера газотермического факела
средняя скорость движения частицы:
ке - средняя осевая скорость частицы по сечению газотер-
а, мического факела, м/с;
—------коэффициент текущего газодинамического состояния
R потока по его сечению.
Таблица 1.13
Средняя скорость движения диспергируемых частиц
в зависимости от ее удаленности от сопла
при различных значениях напора прокачиваемого
диспергируемого газового потока, м/с
Давление сжатого пм. лПа
3W.4
50 52 . 77 101
75 82 -
100 61 95 108
Дамские схатсго гам. хПа
1M.2 2МЛ зил
125 - 88
150 57 88 101
175 79
200 53 78 94
двухфазного дисперсного потока
гидродинами-
В общем
оценивается
ке = (0- d/),
d3 - эквивалентный диаметр частицы, м;
При уравновешивании веса частицы аэродинамическим напо-
частиц и диспергирующего газа, кг/м3;
Cf — коэффициент лобового сопротивления;
где AR4 - критерий Архимеда.
Дисперсные газодинамические потоки, оцениваемые числами
Рейнольдса Re 2300 - ламинарные, a Re > 10000 - турбулентные.
В области значений Re - 2300 — 10000 газотермические потоки
могут быть как ламинарными, так и турбулентными - в
зависимости от организации газотермического факела и его
изотропности. При.
газотермического потока процессы газодинамического дисперги-
рования носят молекулярный характер, а при турбулентном -
механический.
Термохимическое диспергирование напыляемой частицы про-
является уже в условиях ее пролета в среде газотермического
факела, когда под воздействием изменения текущего термодина-
мического состояния вещество напыляемой частицы претерпевает
агрегатно-фазовые превращения, которые, в конечном итоге,
определяют характер газотермической адгезии. В результате
этого термохимического диспергирования среда газотермического
факела приобретает нейтральный, окислительный или восста-
новительный характер. В ряде случаев достижение такого уровня
энтальпии газотермического потока (например, при детонацион-
ном или плазменном напылении) вызывается условиями высоко-
пыляемого материала в среде регулируемой атмосферы газотер-
мического факела, что является причиной образования в объеме
газотермического потока карбидов, нитридов, боридов и прочих
тугоплавких составляющих, переходящих в массив газотермиче-
ского покрытия.
сса термохимического диспер-
гнрования оценивается по поведению одиночной, сравнительно
сферической частицы напыляемого материала, что выражается
соотношениями уравнения энергетического состояния кинетики
такой частицы и ее конвективного теплообмена с сопряженной
газотермической средой. Такое соотношение позволяет устано-
вить минимальную величину дистанции пролета напыляемой
частицы (величина 1J"”), в пределах которой происходят агрегат-
но-фазовые превращения напыляемого материала, необходимые
для образования надежной адгезии с основой: и
_________<^iP« «у
:ИМ1 [1+{(Ее))Уд(1+Хо)(1+Х.) 273-4N^f-°r
где для газовой среды: Т - температура; •цел:
А, - теплопроводность;
Re - критерий Рейнольдса; ’’И
м| Vr - расход;
А XD - степень диссоциации;
ю Х| - динамическая вязкость для вещества диспергируемой'
* частицы;
„ рч - платность;
~ удельная энтальпия расплава (при Тга); J
- Тш - температура плавления; <м
N4 - критерий Нуссельта; ок •-!
Ro “ радиус сопла (анода).
«И Комплекс параметров в левой части приведенного уравнения |
выражает способность газовой составляющей газотермического .
потока нагревать вводимую
ицу
ого материала я
являться при этом энергетической характеристикой газотермиче-
ского потока. Комплекс параметров в первой части, относящихся
к теплофизическим свойствам напыляемого материала, характе-
ризуется в совокупности как параметр трудности плавления D
напыляемого материала.
Кинетическая составляющая энергии термохимического дис-
пергирования в момент соударения напыляемой частицы с
основой характеризует не только работу механической активации
основы, но и переход оставшейся части кинетической энергии в
тепловую, что несколько повышает температуру ударного кон-
такта. Величина определяющего параметра этого состояния -
скорость ударения частицы с основной, ~ может быть выражена
= т{сСГ„-70’05)
где т - масса частицы, г,
V, - скорость, м/с;
материала, кал/гС;
“ температура плавления напыляемого материала, *С;
70’С - нормативная температура напыляемого материала
перед началом его термического диспергирования.
Таблица 1.14
Сопоставительная оценка гипотетической величины
скорости ударного контакта напыляемой частицы,
соответствующей энергии теплового диспергирования
(температура плавления)
НцаииоЛиит^и Ты, *с Скорость, м/с
Свинец 327 337
Цинк 419,5 763
Меда 1083 1046
Олово 231 446
А.ИОЯИШЙ ьао 1274
5. Предварительная обработка
напыляемой поверхности
Такая обработка необходима для образования основы (налы-,
ляемой поверхности), имеющей активированное состояние при-
менительно к тем техническим условиям, которые определяются
методом газотермического напыления. Процесс активизации ос-
ти дифференцируется в зависимости
от сложности организации процессов
ческого покрытия, но феноменологическая классификация техно-
логии активации основы определяется термической, газодинами-
ческой и специальной предварительной обработкой.
Термическая и газодинамическая активация основы реализу-
ется одновременно в процессе проведения технологической
операции нанесения газотермического покрытия. Повышение
уровня активации основы в этом случае происходит достаточно
быстро и последовательно; при этом термодинамическое состоя-
ние газотермического потока оказывает свое пороговое воздей-
ствие на энергетическое состояние основы и преодолевает
энергетический барьер невосприимчивости вещества основы к
адгезии с веществом напыляемого материала, что, в свою очередь,
приводит к повышению энтальпии (потенциальной энергии)
образуемой системы адгезии "основа-напыляемая частица".
Предварительная обработка напыляемой поверхности не
только предваряет термическую и газодинамическую активацию
основы, очищая основу от следов химических загрязнений,
которые являются пассивирующим фактором адгезионного сцеп-
ления, но и стимулирует активацию вещества основы, т.с.
шероховатости основы) и сохраняет в течение определенного
как адсорбента, которая влияет на результативность ориентации
процесса направленной адгезии основы и напыляемой частицы.
В общем случае предварительная обработка напыляемой
поверхности начинается с ее промывки в моющих растворах или
органических растворителях. Затем следует просушка (продувкой
горячим обезжиренным и сжатым воздухом, прогревом пламенем
200°С,
газовой горелки до
ческой печи при температуре 350-370вС, направленным инфрак-
порисгосги обезжиренной поверхности и технических условий на
Предварительная оценка обезжиренной поверхности на выяв-
ление ее целостности методами визуального обследования, уль-
позволяет выявить в повсрхостном слое основы наличие устало-
стных трещин, раковин и прочих дефектов, которые снижают
величину нормативного запаса прочности до критической. Если
основа с развитой системой усталостных трещин бракуется
обязательно, то другие поверхностные дефекты оцениваются с
позиции их влияния на величину допускаемого запаса прочности.
Сущность процесса предварительной обработки основы. Пред-
варительная обработка поверхности основного материала выпол-
няется разнообразными технологическими методами, в основу
которых положено использование трех способов физико-химиче-
ского воздействия как на саму основу, так и на ее загрязнение:
- физического контакта (удаление загрязнения с использо-
ванием ударного, трущего, вибрационного, ультразвукового,
теплового и другого воздействия);
- химической реакции (воздействие на химические связи
вещества основы и загрязнения химической природой поверхно-
стно-активных веществ, которые вызывают ослабление таких
связей и растворяют в себе вещество загрязнения, теряющего
адгезию с веществом основы, либо - вытеснение вещества
поверхностью основного материала и смывом его, при котором
смачивающие характеристики загрязнения преодолеваются сила-
состояния переходит в иное: коллоидное, твердое (с осаждением),
суспензионное или эмульсионное. Травление загрязненной повср-
устраняет загрязнение (или создает
предпосылки к его удалению) в виде окислов, солей или щелочей
металла основы);
- комбинированного (физико-химического), при котором воз-
зического и химического способов на загрязнение поверхности
основного материала в зависимости от природы основы и ее
загрязнения. Ко
удаления загрязнения
позволяет в наибольшей степени подготовить вещество основного
материала к газотермической адгезии.
Как препятствие для газотермической адгезии загрязнение
поверхности основного материала является природно-неизбежным
фактором проявления неустойчивости термодинамического состо-
яния из-за ассиметрии внутренних связей вещества на поверх-
ности его твердого тела. Здесь образуется особая неравновесная
область как результат физической и химической неоднородности
вещества в подслое, повышения поверхностной энергии при
нарушении симметрии кристаллического строения вещества в
подслое, которое превышает сумму поверхностных энергий
любого загрязнения и поверхности раздела фаз при контакте. В
итоге незагрязненная поверхность проявляет свойства адсорбции
(физической и химической) и как результат - окисление
вещества основы адсорбированным кислородом или в результате
контакта с иными агрессивными средами.
Таким образом, практически отсутствует возможность сохра-
нить неизменным активированное состояние поверхности основ-
ного материала, даже в случае недопущения загрязнения повер-
хности - смазочными маслами, СОЖ, консистентными смазками,
Обезжиривание является первичной технологической опера-
цией предварительной обработки, целевая задача которой состоит
в удалении жировых загрязнений, в массу которых включены
другие
- пыль, мелкая стружка,
окалина, ржавчина, абразивные частицы и прочее. Жировые
загрязнения классифицируют на две основные подгруппы - жиры
растительного (или животного) происхождения и - жиры мине-
рального происхождения.
химические соединения органических кислот: стеариновой, оле-
иновой, пальмитиновой и других. Такие жировые загрязнения
его контакте с водными растворами щелочей (или солей
щелочных металлов); при таком взаимодействии образуются
глицерин и соли жирных кислот (мыла), которые достаточно
легко растворяются в воде и затем смываются, в особенности
горячей водой.
Жиры минерального происхождения - это химические соеди-
нения, состоящие из углеводородов различного состава и конси-
стенции (например, газолин, вазелин, парафин, минеральные
смазочные масла и смолы). Такне жировые загрязнения удаля-
ются, в первую очередь, органическими или неорганическими
растворителями.
Обезжиривание в щелочных растворах (омыление) возможно
при наличии достаточной:
1) смачиваемости, проявляемой щелочным раствором приме-
нительно к поверхности основного материала и большей, чем у
2) омыляемости жирового загрязнения с образованием в этом
случае водорастворимой эмульсии;
3) диспергируемости в щелочном растворе твердых частиц
загрязнения, что способствует отделению этих частиц от повер-
хности основного материала;
4) растворяемости в воде с образованием эмульсионного
раствора, смываемого затем чистой водой;
5) химической нейтральности или пассивности металла
основы к щелочному раствору, не вызывающему его коррозию;
б) конструкционной проработке моющего оборудования, при
наличии которой возможно то или иное комбинационное удаление
загрязнения.
химическое и электрохимическое.
натр как основной
компонент моющих растворов выполняет роль эмульгатора,
диспергирующего вещества и пенообразователя, см. таблицу 1.15.
Таблица 1-15
Типовые режимы процессов обезжиривания
в щелочных растворах
ржтэсра).
(50-60) ₽ Удаление смолистых 75-SS 240-360
То же (65) Обезжиривание 6S н
Едкий натр (25). сода (33). жидкое мыло (8.5) Обеинримяие 80-00 120-180 *
сода (91). жидкое стекло (10). мыло (8). хромпик (5) Тохе 80-00 120-180 -
и-*-
TTW
Едкий натр (25).
сода (25)', тринатрийфосфат (15), жидкое стекло (5)
Едкий натр (3), трина трийфосфат (10). жидкое стекло (3). нитрат масла ТАл-15 7S 10 38
тринатрий- фосфат (40) отработанного масла ТАп-15 75 • 48
сода (20). трянатрийфосфат (10). ОП-7 (3) Тоже 75 94 96
Кальцинированная сода (20). нитрит натрии (7). ОП-7 (3) Тоже 75 2 76
сода (20),' трянатрийфосфат 93
Кальцинированная сода (20). трянатрийфосфат (10). ДС-РАС (10) Тоже 75 - 96 99
сода (15)Тхвдкое стекло (2-5). ДС-РАС (1.0) чугунных деталей 85-95 10-15
Триалом (8). ОП-7 (3) » 89 92
МЛ-52 (8) То же 75 4 61
Госта»
ТожуоТ. а»™.. U~
МЛ-52 <6>. ОП-7 (3). жидкое стекло (3) Тоже М 86 98
Тракторам (10-40) Обезжиривание 6S-S5 10-25
(10)6 ОП-7 (5) Удаление ТАп-15 7S - 10 68
Коррозионное воздействие на вещество основы, оказываемое со стороны щелочных растворов зависит от величины водородного показателя pH раствора - как меры его кислотности или щелочности, а также - от величины поверхностного натяжения раствора, причем, такое воздействие раствора на материал основы имеет однозначный характер: при очистке загрязненных стальных поверхностей допускаемым интервалом значений показателя pH будет диапазон значений 4-14, а для алюминиевых сплавов pH 4-7. при pH < 3 (состояние кислотности раствора) и при pH > 11 (состояние щелочности). Синтетические моющие средства (СМС) используются для интенсификации процессов щелочного обезжиривания при очи- стке металлических поверхностей. Такое свойство СМС прояв- ляется благодаря наличию в их составе поверхностно-активных веществ (ПАВ), которые не только нейтрализуют жировые
загрязнения, но и диспергируют включения твердых производст-
венных загрязнений.
ПАВ подразделяются на две группы: ионогенные ПАВ и
неионогенные ПАВ. По признаку диссоциации в водном растворе
ионогенные ПАВ подразделятся на две подгруппы: анионогенные
(здесь угле'родная часть молекулы ПАВ входит в состав аниона)
и на катионогенные ПАВ (здесь катионы содержат углеводород-
ные радикалы). Катионогенные ПАВ практически не использу-
ются при щелочном обезжиривании. В таблице 1.16, 1.17 и 1.18
приведены составы СМС и их заменителей, используемые для
Таблица 1.16
Интенсивность очистки поверхности
основного материала, загрязненного минеральным
маслом ТАп-15; очистка выполняется щелочными ।
растворами при температуре 75”С;
состав щелочного раствора согласно поз |
ХихичесхкЯ состав м хсипептрааих ыммоего раствора. г/а
’S7
1 25 33 Мыло (8.5)
2 25 25 5.0 15 -
; з 3,0 10 - Нитрит натрия (3.0)
4 40 - 40 - -
5 МЛ-52 (8.0)
6 20 3,0 Нитрит натрия (0.7)
7 3,0 Триалон (8.0)
8 20 10 Сульфанол НП-3 (4.0)
9 - 20 10 3.0 -
10 20 10 ДС-РАС (10.0)
11 - 3.0 3.0 МЛ-52 (6.0)
14*С в два раза ускоряет процесс очистка <по суммарному времени).
Таблица 1.17
Рецептура синтетических моющих средств
щелочного обезжиривания
Сульфанол НП-1
Ссяержмои ПАВ • СМС. %
Трактор к я 7>мом МЛ-51 МЛ-52 - • Ж
Синтанол ДС-10 - - 8
ДС-РАС натриевый 1-1.5
Алкнлсульфаты натрия
Вола 100 1 100 -
ингредиенты, называемые ПАВ (поверхностно-активные вещес- тва), молекулы которых адсорбируются на поверхности раздела фаз, одной из которых является жидкость (“жидкость-газ",
этого контактирующее с ПАВ загрязнение теряет свою перво- ПАВ проявляется в особенности смачивания на границе раздела трех фаз “ металл-загрязнение-раствор", но для процесса очистки решающая роль принадлежит величине поверхностного натяже- ния на границе “металл-раствор”. С уменьшением поверхност-
ется введением в раствор добавок ПАВ, повышением температуры
раствора или поляризацией очищаемого металла.
Таблица 1.18
Составы растворов, заменяющие СМС
К—чсжж
Паста “Триалом" Трина трийфосфат ^30 7S-B5
Паста “Специальная" Синтанол ДС-10 60-80 30-75 Тоже
Тринатрийфосфат 'Йо 60-70
Тринатрийфосфат триполифосфат Синтанол ДС-10 50-60 Тоже
Уайт-спирит Ш-1 60-75 Тохе
Кпкюкчи т~™ •Ь™
Пирофосфат натрия Триполифосфат Бикарбонат натрия 2(Ь5О 5-15 2-3 5S-75 (в том числе ГОИ)
Тгинатрийфюсфат Жидкое стекло Сулъфанол- Обезжиривание. коррозия отсутствует
(^ТсгмоГдсио) 30-50 (3-5) 18-50 Совмещенное
Едкий натр Трннатрийфосфат 30-40 черных металлов в
Кальцинированная сода Жидкое стекло или сульфанол Щелочность 3^35 65-10 ,™ЖейР”Гм“и и
ПАВ обнаруживает ценные технологические качества, илтен- - смачивание как меру контакта с загрязненной поверхностью, материала; - эмульгирующую способность, проявляющуюся в адсорбции загрязняющей жидкой фазы (минерального масла, СОЖ и т.д.), сопровождаемую отделение загрязнения от поверхности основного живаются ПАВ сипами молекулярного сцепления; - пептизирующую способность, проявляющуюся в умсньшс- - солюбилизирующую способность, выражающуюся в акку- муляции мающим раствором частиц загрязняющего вещества с одновременным его переводом в гелеобразное состояние; - пенообразующуюспособность, проявляющуюся в аккумуля- ции моющего раствора воздуха из окружающей среды и образо-
влнии пузырей воздуха, па поверхности которых адсорбируются
молекулы ПАВ, которые при флотации загрязнения обеспечивают
моющий эффект очистки. Такое свойство растворов с ПАВ
особенно эОДективно проявляется при удалении гидрофобных
несмыляемых загрязнений. Совокупность технологических ПАВ
при удалении жировых загрязнений определяет их целевое
назначение (см. табл. 1.19).
Таблица 1.19
Технологические характеристики типовых ПАВ
ПАВ На закоси ис и особенности применения
Достаточная растворимость в воде, нетокснчность. взрывобеэопаспость, пожаробезопасность. загрязнения очищаемой поверхности.
Трвмои То же. но рабочей концентрация 10-100 г/л.
МЛ-51
МЛ-52 горюче-смазочных материалов) выдержкой в моющем концентрации раствора - для очистки деталей из материала меди и медных сплавов.
ST При контакте с материалом загрязнения МЛ-52 образует При выполнении струйной обработки загрязненных деталей из черных в цветных металлов допускается рабочий
Лабомид-203 для концентрации раствора 20-35 г/л при температуре
7О-8О'С (pH 10). нефтепереработки.
кого сочетания физико-химического способа удаления жировых
загрязнений использует свойство поляризации молекул моющего
раствора и вещества основного материала (анодная или катодная
поляризация).
Эффект электрохимического обезжиривания проявляется в
частичек жирового загрязнения с выделением из раствора
пузырьков растворенных газов: водорода (при катодной поляри-
зации) или кислорода (при анодной поляризации).
При электрохимическом обезжиривании ПАВ используется
разующую способность моющего раствора <при интенсивном
пенообразованин под слоем пены аккумулируется гремучая
водородно-кислородная газовая смесь). В таблице 1.20 приведены
типовые составы и
Таблица 1.20
Моющие растворы
и режимы электрохимического обезжиривания
— X. «to.»»»»—.
Еданй натр 0,5-1 обрабатываемые только катодяо
Кальцини- рованная сода 20-30
Трянатрий- 50-70
Жидкое стекло 3-S
щелочность 43-48
— у
is- 42”
амй н»р 30-40 70-80 14-18 6-18 3-6 легированной
20-30
нэя сода
30-70
Жидкое стекло 3-5
щелочность 43-68
Едкий натр обрабатываемые только катодно
фосфа/ и
щелочность 12-30
Едкий и»,р 10-20 70-80 3-10 - 2-3 0.S-1
25-SO
пая сода
Жидкое стекло 3-5
Обезжиривание растворителями. Выполняется преимущест-
венно теми 1
которые
ются на следующие три группы химических соединений:
а) природные углеводороды (бенаины, керосин);
б) производные углеводороды (кетоны, спирты, эфиры) ;
в) хлор производные углеводороды (четыреххлористый углерод,
дихлорэтилен, трихлорэтилен). —..
Эффект обезжиривания растворителями оценивается по их
растворяющей способности, выражающейся в уменьшении кон-
систенции жировых загрязнений (преимущественно минерального
происхождения), нс изменяя при этом химического состава
загрязнения и основы. Основной характеристикой растворяющей
способности является универсальность действия растворителя;
чем разнообразнее химический состав жирового соединения, тем
выше качество растворителя. Такая характеристика прослеживает
природную закономерность процесса растворения - однозначное
количественное соответствие степени полярности молекулярных
связей вещества растворителя (т.е. величины дипольного момента
ее молекулы) аналогичной характеристике вещества жирового
соединения. Составление смесей органических растворителей
усиливает эту закономерность.
Органические растворители оцениваются также теми физи-
ко-химическими свойствами, которые определяют технологиче-
скую применимость растворителя, т.е. температурой кипения,
вспышки, самовоспламенения, пределами взрываемости, допусти-
мой санитарной концентрации.
Таблица 1.21.
Применимость типовых органических растворителей
для удаления жировых загрязнений
Н1ХХПЮЫКЖ
группа кетонов) НС"°ЛЬЗУС1СЯ ® СМССИ
Беконы отрлботянных «нерялммх насел.
Б'"3“ j 1 i‘l М ф] hi 1
Бутоице™ старых красок на нитроцеллюлозной основе.
Бутиловый !Ш 1’1 и 1’1 Л V . 1 В ? н
Керосин Растворение смазочных масел и жиров минерального
Кешки и тоуол Растворение масел я синтетических смол (глнфталевых.
Мдыычепк
Уайт-епирт Растворение лакокрасочных материалов, минеральных
Этилацетат Растворение лаков и эмалей.
В числе органических растворителей особое место занимает трихлорэтилен и четыреххлористый углерод. Это - взрывобезо- органическими растворителями моющие составы, обладающие уникальными растворяющими способностями по отношению к
насыщенным влажным воздухом начинается экзотермическая
реакция, сопровождаемая образованием соляной кислоты и
творителей требуют использования специализированного произ-
водственного оборудования и локализации производственного
участка. При этом перечень технологических приемов очистки
от жировых загрязнений ограничивается:
1) окунанием очищаемой поверхности в среду растворителя
2) выдерживанием очищаемой поверхности в напорном потоке
прокачиваемых паров кипящего растворителя;
ритсль с последующей обработкой в паровой струе растворителя;
4) душевой промывкой загрязненной поверхности раствори-
телем с последующей обработкой в парах растворителя;
5) промывкой в среде растворителя при ультразвуковом
Приведенные примеры удаления жировых загрязнений воз-,
можны только при наличии специальных герметичных промы-
вочных камер с приданными установками регенерации раствори- j
теля и сбора в отстойниках загрязнений.
Механическая предварительная обработка поверхности основ- '
ного материала не только активирует основу, снижая энергию'
адгезионного сцепления газотермических частиц напыляемого
материала с поверхностью основного материала посредством
образования приемами механической обработки необходимой ее
шероховатости, повышающей площадь контакта напыляемых
частиц с основой. Кроме того, механическая предварительная
обработка позволяет исправлять несовершенства требуемой гео-
метрической формы поверхности основного материала, удаляя
поверхностные дефекты и локальный избыток упрочняемого
конструкционного материала, предотвращающих газотермическое
покрытие или отделяющих его от основы. В общем случае
совокупность приемов механической предварительной обработки
1) образование необходимой шероховатости поверхности
основного материала (таблицы 1.22 и 1.23);
основного материала;
3) удаление с поверхности основного материала следов
глубокого диффузионного загрязнения, невосприимчивого к воз-
действию моющих средств или химической обработки травлением
(следы проникающей коррозии основы).
Таблица 1.22
Сопоставительная оценка воздействия методов
механической предварительной обработки поверхности .
основного материала на адгезионную прочность .
газотермического покрытия v
— Ллгезмоямо срочаосп. МП» 10
(HRC40)
Абразивное воздействие стальной 4Л/1.2 3.1/0.9 2.4/0.7 3,1/0.» 2.4/0.7
Нарезание разьбы 6.0/1.5 1.4/1,5 4.5/1,2 6.3/1.9 1.7/0,6
6.0/1.5 6.3/1.9 7,0/2,1 3.9/I.0
Электроэрозионная обработка (большая 6.3/1.9 6.0/1.5 1.4/0.8 4.3/1.» 1,7/0.6
шероховатость) Э.1/0.9 2,4/0.7 1.4/0.5 3.1/0.» I.4/0.S
Таблица 1.23
Применимость методов механической предварительной
обработки поверхности основного материала в
зависимости от толщины газотермического покрытия
гввокртагискогх, покрыли
Дробеструйная 0.2-3.0 формы; заделка трещин в поверхностном слое отливок.
прикаткой 0,15-4,0 цилиндрических деталей диаметром 50 мм.
Нарезка рваной 0,5-30,0 Восстановление поверхностного слоя ответственных силовых деталей, а также - внутренних цилиндрических поверхностей.
проволоки с последующей дробеструйной обработкой 0,7-35,0 Восстановление поверхностного слоя
поверхности.
Электроаро- 0.7-10,0 Восстановление закаленного или
Таблица 1.24
Особенности выполнения рекомендуемых методов
механической предварительной обработки поверхности
основного материала
Метод }Ь)а>чси><е 1 __
Механическая обработка со снятием стружки
слоя металла; бочкообразяости и Т.п.>, изнашиванием; выдерживание заданных с учетом толщины гаэотермического покрытия. контроля; 2. Выдерживать требуемую величину шероховатости
тел вращения; покрытия при предельно- газотермического покрытия, См. таблицу 1.22 И'
Фрезеро- продольно- попсречных для нанесеиня коркового См. таблицу 1.22
поверхности.
продольных покрытия, могущего перекрыть технологические отверстия или посадочные См. таблицу 1.22. Глубина
Метол
Нарезание
Нарезание Том. фрикционных газотермических
’ ?? Создание условий особопрочной адгезии при газотсрмических покрытий. 1. Диаметр проволоки в два газотермического покрытия, но нс более 1,5 мм; одни ряд шагом, равным двум армирующей проволоки.
Создание условий гарантированного газотермического напыление материала (тугоплавкого ответственных обязательна предварительная обработка; 2) Выполнять после 3) При нанесении пределах 0,003-0,1 мм.
Вибрацион- суслензаи для интеяафяишии основного материала от стойких подслоя с диффузионным задаются спецификой абразивной суспензии.
химический Тоже. То««.
’•У»”»»
EF” Нанесение шероховатости на поверхность основного глубину 3-4 мм. сила тока 50-60 А, напряжение 30-35 В, частота колебания вибратора 100 Гц; То же. высотой 3-4 мм: сила тока 100-120 А, напряжение 30-35 В; 80 мм - при ее вращении с угловой скоростью 100-127 об/мин и продольной подаче вибратора 0,2-1 Д мм/об.
обработки: Сила тока. А - 100-150 Напряжение. В - 20-22 Сопротивление. Ом - 0,18-0,20 Угловая скорость вращения обрабатываемой детали. об/мин - 40-50 кромкя^езного Расход электролита, л/мин - 10-12.
обработка шероховатости на поверхность основного материала твердостью HRC 57-65; создание условий для повышенной прочности
Й й
Десорбция поверхности атмосфере динамического газотермического покрытия. В соответствии с метод газотермического напыления.
Ihlt тоже. Тож«.
В таблице 1.25 приведены данные, характеризующие влияние
способов подготовки на предел выносливости и другие механи-
Таблица 1.25
Влияние способа подготовки поверхности на прочность
сцепления электрометаллизационных покрытий
Прочность спеолсзои, МПа, >0. яри металл* осшмиис
(ЖС*21-ЗЯ
Электроискровой 3.1/0,9 2.4/0.7 1,4/0.5 3.1/0,9 1,4/0,5
Электроискровой 6.3/1.9 6/1.5 1.4/0.8 6.3/1.9 1.7/0.6
Стильной крошкой 4.5/1,2 3.1/0.9 2.4/0.7 3.1/0.9 2.4/0.7
Нарезанием резьбы 6/1,5 1.4/13 4.5/1.2 м/13 1.7/0.6
Нанесением промежуточного стоя из специального 6/1.5 6.3/1.9 7/2,1 3.9/1.0
Рекомендации производству. Технологический процесс и об-
ласть применения основных способов подготовки поверхности
перед металлизацией распылением представлены в таблице 1.26,
а их влияние на сцепляемость напыленного слоя с основным
металлом - в таблице 1.27.
Таблица 1.26
Влияние способов подготовки поверхностей деталей !
под покрытие напылением на предел выносливости, >
прочность сцепления и эффективный коэффициент J
концентрации напряжений
='
UnpiXCKXft
Обработка дробью 324 0.78 104.0
Накатка (прямая, косая, перекрестная) 306 0,82 100,0
Обдувка песком 278 0.91 34.5
Шлифование 252 1,00 -
MS 1.02 190,0
Электроискровая обработка на постовоюм токе 212 1.08 91.5
Насечка зубилом 206 1.22 82,0
194 1.29 110.0
Нанесение нарезкв:
круглой 194 1,29 167.0
круглой с прикаткой вершин 188 1.33 188*0
т ре у гол ьной 188 1.33
треугольной с прикаткой вершин 170 1.48 156.0
Элуктродуговая обработка 170 1.48 25,0
Нарезка кольцевых канавок 165 1,52 140.0
То же с прикаткой вершин 150 1.64 113.0
Таблица 1.27
Технологический процесс в области применения
основных способов подготовки поверхности деталей
ТехюгвескиЯ прозекс
обработка чугунных деталях, для деталей с подвижной посадкой, а также при подготовке к нанесению жаропрочных и декоративных покрытий при толщине слоя от 0.02 до 3 мм.
камере кварцевым песком с размером зерен 0.5-2.5 мм под избыточным давлением
После проточки с целью получения точности формы на йн МиШ 1? 11
диаметра 200-400 мм). “Рваную” резьбу получают ?00-1*50Р мм и смещении его деталей. Широко
специального резца наносят ряд параллельных полукруглых канавок глубиной 0.6-О.7 мм, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга. Поверхность канавок обкатывают роликом для придания формы ласточкина хвоста. Вместо толщиной от 0,5 по 20 мм для восстановления размеров валов, обоймы и других деталей из незакаленной и «цементированной стали.
Наиболее часто применяется для плоских поверхностей «закаленных деталей, реже для цилиндрических деталей с толщиной покрытия
ТехюнкюсЯ прямее
проволоке с последую- Проволоку диаметром 2 до 5 диаметров проволоки. После намотки в закрепления свари) производят подлежащей металлизации. проволоки должен быть меньше половины толщины
После обработка резанием производят обдувку детали стальной или чугункой дробью диаметром 0,5-2 мм. Дробь ударяется о поверхность Для обработки внутренних н наружных поверхностей любой формы. Усталостная прочность деталей при такой
придает ей шероховатость.
Электродуго- Металлическим электродом с применением вибратора на поверхность детали наносится металл с высотой отдельных поверхности любой формы.
То же, что и электродуговой. снижается на 20-30%.
обычной схеме.
Таблица 1.28
Влияние способа подготовки основания
и характера его материала на прочность сцепления
Прочяост» сааисаш. МПа, 10. цм ыгталлс осяомжш.
KKJM5 ’нясю
Электроямромй 3,1/0,» 2,4/0,7 I.4/0.5 3.1/0.9 I.4/0.S
Электроискровой 6.3/1.9 6/1,5 1,4/0.8 6.3/1.9 1.7/0.6
Стальной крошкой 4,5/1.2 3.1/0.9 2.4/0.7 3.1/0.9 2.4/0.7
Нарезанием резьбы 6/1,5 1.4/1.5 4.5/1.2 6,3/1.9 1.7/0.6
Таблица 1.29
Зависимость физико-механических свойств
металлизационного покрытия от расстояния между
соплом и обрабатываемой поверхностью
л Е. Рзсстоехис <п мои 3D детали, мм
в я к» и.
90 30 Прочность сцепления, 110 120 130 140 140 130
90 30 Содержание в метзллизлционном слое. %етал а п 90 85 32 55
90 30 “XhSZX 6.71 6.71 5.» 6.13 7.5 3.0
90 30 Твердость HV металлизационного 216 225 309 230 224 195
90 30 Предел прочности. 15% 1*450 1200 1020 &50 570
Таблица 1.30
Материалы для защитного напыления
Мисржы notpwnw
>1нрм.»<еиная дымовыми газами Цинк 0.2
о следами сернистого газа Цинк с окраской 0.1
..ЖРЖ.ИИЯ сершктие такы окраской*** алюминий с 0,2; 0.12
Цинк и алюминий; цинк 0.1-0,2; 0.2
щк-сная Цинк; iiiuik с окраской 0.1-0.2; 0,1
рресн» SVC Алюминий; сталь I2XI8H9T 0.15-0.25; 1.5-2.0
морская 50* С Цинк; цинк с окраской; сталь 12X18Н9Т с пропиткой 0,2-0,25; 1.5-2.0
Водяной лар Алюминий 0,2-0,3
Таблица 1.31
Сила отрыва металлизированного слоя в зависимости
от расстояния сопла металлизационного аппарата
от поверхности обрабатываемой детали
т- т* X.
30 95-100 Сталь гладкая 26.4 so 8000 3.03
30 95-100 Сталь То же 25,85 100 23000 8,90
30 95-100 Сталь То хе 23,03 150 22400 9,73
30 95-100 То же 36,0 50 6000 1.72
30 95-100 Бронза То же 30,3 НМ) 7500 2.47
30 95-100 Бронза То же 36.0 150 10200 2.84
Примечание. Материал покрытия - цинк.
Структурная схема получения газотсрмичсскнх покрытий,
последовательность стадий ГТН и схема этапов проектирования
процессов приведены далее:
Последовательность стадий ГТН
Схема этапов проектирования технологических процессов ГТН
1.2. Газопламенное напыление
Газопламенное напыление является видовой модификацией
нанесения газотермического
При всей общности совокупного воздействия на феномен
диспергирования напыляемого материала и физико-химического
способа акти
термических покрытий, что определяет эксплуатационные харак-
в классификации газопламенного напыления, образуемой по
- по стехиометрическому составу горючей газовой смеси,
сгорание которой создаст условия термическому диспергированию
вещества напыляемого материала, - газокислородное газопламен- ,
нос напыление (горючая смесь состоит из сжигаемых газов
природного или промышленного происхождения и - беспримес-
ного газообразного кислорода) и газовоздушное газопламенное j
напыление (в состав горючей газовой смеси входит газообразный •
порошковое и прутковое (проволочное) газопламенное напыление.;
Такая классификация учитывает характер воздействия особенно*
эго материала на
- по признаку газодинамического состояния прокачиваемого
газотермического потока в объеме газотермического факела -
ламинарное и турбулентное газопламенное напыление. Такое
двухфазного газотермического потока и качество напыляемого
газопламенного факела определяет три значимых показателя
гирование вещества напыляемого материала и его термохимиче-
ское диспергирование, в основе которого лежит природный
механизм агрегатно-фазовых превращений напыляемого матери-
ала и мера его химической активности с диспергирующей
газодинамической средой. Это обстоятельство имеет решающее
значение для формирования качества газопламенного покрытия
и учитывается при составлении карты технологической операции
нанесения опредслеююго функционального покрытия: если при
выполнении газопламенного напыления вся операция выполня-
ется ручным способом, т.е. оператором, и качество функциональ-
ного покрытия зависит от квалификации оператора, то в случае
механизированного (и даже автоматизированного) выполнения
операции качество покрытия зависит от того, насколько полно
учтены особенности газодинамического состояния среды газопла-
менного факела и насколько полно автоматизация технологиче-
ского оборудования учитывает эти особенности.
1. Энергия газопламенного напыления
Энтальпия газопламенного факела имеет две главные состав-
ляющие, определяющие характер газопламенного напыления -
тепловую и кинетическую. Если тепловая энергия являет собой
результат химического взаимодействия горючих газов и окисли-
теля и затрачивается на расплавление вещества напыляемого
материала, то кинетическая энергия расходуется на механиче-
ское дробление расплавляемых частиц напыляемого материала и
которых ударение с основой вызывает механическое сцепление
и высвобождение части кинетической энергии в тепловую,
способствующую завершению агрегатно-фазовых превращений
ческой активации поверхности основного материала.
Источником тепловой энергии, необходимой для расплавления
напыляемого материала определенного компактного состояния,
является экзотермическая реакция горения газообразных энерго-
носителей в кислородосодержащей среде.
Сложным в организации газопламенного диспергирования
является определение оптимальных окислительных процессов
горения толя
иость устойчивого состояния
-расширение номенклатуры напыляемого материала: приме-
нимость газопламенного напыления во многом определяется
доступностью таких материалов и возможностью их газопламен-
ного диспергирования без проявлении термохимического разло-
жения вещества. Это достигается получением максимальной
температуры горения газотопливной смеси и мгновенным распы-
лением диспергированных частиц на основу;
- экономичность в использовании природных ресурсов: поддер-
жание термодинамического режима полного сгорания газотоплив-
ной смеси позволяет не только использовать всю доступную
внутреннюю энергию горючих газов,
контролировать
химический состав атмосферы газопламенного факела;
- эргономичность технологического процесса: достижение
устойчивого состояния горения газотопливной смеси позволяет
проектировать компактную аппаратуру с высокими эргономиче-
тг
Углеквелый газ СО, 44.0100 188.92 -393.51 213.6
Ониа твердый графит) 12.0112 692.21 0 5.740
Этан CjH, 30.0701 276.50 -84.68 229.5
Этилен С,Н4 28.0542 296.37 52.25
NO, 44.0055 180.72 33,2 240.0
N.0 44.0128 188,91 82.05 219.7
Отдельные термодинамические характеристики газовых
компонентов горючей смеси
Горючий пм
Ацетдя •*«- Проии Ь?’.“ Эп.
0.91 0.07 0.56 1.57 110 1.06
(минимальная), кхал/м1 12400 2400 8000 20800 27800 14400
распространения 13.5 8.9 3.3 3.7
смеси с кислородом, С* 3200 йот 2700
Температура пламени в 1200 1500 1500
Плотность, кг/м3 1.1766 0.0905 0.7241 2.0300 2.7153 1.3706
Таблица 2.3.
Расчетные соотношения мольных, массовых и объемных долей окислителя (кислорода и
Удельны* расход ««орсц. УделъйМ расход жлдух.
мсчъимЛ массовый обымммй молькмй массовый обьосмЛ
Ацетилен С2Нг ♦ 230, = 2СО2 ♦ Н2о 2,5 3.0723 2,5299 0.54 15.6141 12.0759
Бутан С4Н|0 ♦ 6,50, = 4СО2 ♦ 5Н,О 6,5 3,5784 6.8000 1.45 41,9685 :
Водород 2Н2 + О2 = 2Н,О 0.5 7.9366 0.5027 0,11 3.1026 2.3995
Метан СН4«.2О2 = СО3*2Н20 20 3 9891 2.0215 0.43 12.4764 9,6492
Окись углерода 2СО>О2 = 2СО2 0.5 0.5712 0,5 0.11 3,0859 2.3866
Пропан C,Hg + 5Oj = ЗСО, ♦ 4Н2О 5.0 3.6282 5.1546 1.10 31.8132 24.6042
Углерод С ♦ О, s со. 2,6641 35424 0.75 21.8630 16,9088
Этан 2С3Н6 ♦ 70, е 4СО2 ♦ 6Н,О 3.5 3 7245 3.5725 0.76 22.0489 17.0525
Этилен С,Н4 * 30, = 2СО2 ♦ 2Н2О 3.0 3,4218 3.0173 0,64 18,6223 14.4024
И
JJ
2. Особенности подачи наполняемого материала
в зону термического диспергирования в зависимости от его
компактного состояния
Наполнясмый материал подается в зону термического диспер-
гирования в виде порошка, прутка (проволоки), а также - в
виде набивного шнура, проходя через осевое (центральное)
отверстие газопламенной горелки (газопламенного пистолета).
Струя сжатого воздуха распыляет расплавленный материал на
мелкие частицы, которые осаждаются на обрабатываемой повер-
хности. Подача проволоки производится с постоянной скоростью
роликами, приводимыми в движение встроенной в горелку
приводной ту
на сжатом воздухе, использу-
емом для напыления, или электродвигателем - через редукци-
онный механизм. При этом необходима точная регулировка
скорости вращения турбины или электродвигателя.
При порошковом напылении напыляемый порошок поступает
в горелку из дозатора через отверстие, разгоняется потоком
транспортирующего газа (смесь кислород-горючий газ) и на
выходе из сопла попадает в пламя, где происходит его нагрев
(рис. 1.2, 1.3). Увлекаемые струей горячего газа частицы порошка
- стол подачи деталей.
срезе которого образуется факел. Для удержания факела имеется
еще одно кольцевое сопло, из которого истекает струя сжатого
регулировку длины факела и предохраняет внутреннее сопло от
перегрева.
Газопламенное напыление проволочным материалом выпол-
няют с использованием газопламенных аппаратов типа МГИ-4,
предназначенных для
из цинка или алюмин!
сплавов). Если в общем
(при форсированных режимах газопламенного напыления), то
для остальных металлов, имеющих большую температуру плав-
ления, диаметр напыляемой проволоки не превышает 3 мм. Схема
проволочного газог
едена на рисун-
частицы металла, 6 -
Серийно выпускаются две модификации аппаратов: МГИ-
4А - для работы на ацетилсно-кислородной смеси и МГИ-4П
для работы на смеси пропан-бутана с кислородом. Конструкци-
онная схема такого аппарата типовая: компоновка включает в
себя механизм подачи проволочного напыляемого материала
(воздушная турбина привода с регулятором скорости подачи
проволочного материала, двухступенчатого редуктора и привод-
ого матери-
ных роликов) и -
ала - распылительную головку, через которую подаются реагенты
газовой смеси, сжигаемые в зоне термического диспергирования
наполняемого материала. Через распылительную головку пода-
ется прокачиваемый под напором воздушный поток, выпол-
няющий газодинамическое диспергирование расплавленного на-
пыляемого материала в среде газотермнческого потока. Аппара-
тура МГИ-4А или МГИ-4П используется для оперативного
нанесения газопламенного покрытия в условиях ремонта и
монтажа обрабатываемых газотермическим напылением изделий,
нуждающихся не только в защите от воздействия агрессивных
сред, но и в случае кавитационного воздействия (или в случае
механического воздействия - трения на защищаемую поверхность
основного материала).
Характеристики газопламенной аппаратуры
МГИ-4А и МГИ-4П.
Производительность (при
распылении цинковой проволоки,
Диаметр распыляемой проволоки, мм
Скорость подачи проволоки, м/мин
Наибольший расход, м*/ч:
сжатого воздуха
кислорода
горючего газа
Давление наддува, МПа, (кнс/см1):
сжатого воздуха
кислорода
горючего газа
Габаритные размеры, мм
Масса, кг
МГИ-4А
до 28
2; 3; 4
1-12
60
2,5
60
1,3
МГИ-4П
0,4-0,5 -
0,2-0,45 2,0-0,5 *
0,06-0,1 0,2-0,5
208x110x220 - «’•
2.2 - д
Кроме газопламенной аппаратуры МГИ-4А и 4П для нанесе-
ния газотермических покрытий разработаны газопламенные ус-
тановки УПН-6, УПН-7, УГПЛ-П, УГПТ и УПН-8.
Особенностью аппаратуры УПН-6 является то, что она
предназначена для нанесения покрытий из легкоплавких порош-
ков (цинка и др.) с температурой плавления до 800*С. Установка
общим весом 6,8 кг состоит из горелки (весом 1,2 кг) и
питательно)» бачка, соединенных шлангом. Подводимый к горел-
ке сжатый воздух, проходя через инжектор, создает в бачке
из атмосферы в кольцевую камеру засасывается воздух. В камере
имеются четыре сопла, расположенные под углом 60* к горизон-
тальной плоскости; воздух, выходящий из сопел, захватывает
порошок в бачке, образуя воздушно-порошковую взвесь, которая
подается в распылительную головку. В качестве горючего газа
используется смесь воздуха с ацетиленом или пропан-бутаном.
проволочного н
напыляющая порошок, 9 - шланг к расходометру, 10 - горелка,
распыляющая проволоку, 11- бухта проволоки, 12 - кислородный баллон,
Количество порошка, поступающего 8 горелку, зависит от
степени разрежения в инжекторной камере и регулируется
вентилем на горелке (см. табл.2.4.).
Таблица 2.4.
Расход технологических материалов и
производительность газопламенной аппаратуры УПН-6.
Расход, м ч
90 13,8 0.52 0.9-1,4
90 13.6 0,53 1.5
90 14.0 0,53 1.2
95 14.1 0.9 1.7
70 13.5 0.9
70 13.8 0.9 1.7-2,8
Особенностью газопламенной установки УПН-7 является то,
что она способна наносить последовательно за один рабочий
проход двухслойное газотермическое покрытие, поэтому ее
УПН-6), где находится порошковый напыляемый материал
различной номенклатуры; газопламенная горелка переключением
трехходового крана подключается поочередно к каждому бачку.
Распылительная головка горелки и техническая характеристика
установки аналогичны УПН-6, масса установки 17 кг.
Модификацией газог
УПН-6 является
аппаратура УГПЛ, предназначенная для нанесения газотермичс-
ских покрытий из легкоплавких порошковых материалов. В се
состав входит газопламенная горелка (газопламенный пистолет),
порошковый питатель с гибким полимерным шлангом для
Газопламенная установка УПН-7 разработана для ручного и
механизированного нанесения газопламенных покрытий из по-
рошков цинка, термопластов и других материалов с температурой
плавления до 800*С на металлические поверхности.
Применяется в производстве металлоконструкций, закладных
деталей строительных конструкций, химической аппаратуры и
т.д. для защиты их от коррозии, а также для исправления
Состоит из аппарата газопламенного напыления, щитка
управления на стойке и
шлангом для транспортир
с полимерным
Порошковый питатель обеспечивает высокую равномерность
подачи порошка (колебания ± 8%), что улучшает качество
покрытия и стабильность его свойств.
Компоновав установка УПН-7 позволяет наносить газопла-
ме'шое покрытие из любого пространственного положения.
Регулировка плотности газотермического потока осуществляется
рукоятками управления технологическими материалами; сам
процесс регулирования происходит плавно, без проскока газо-
пламенного факела. Питание сжатым воздухом - баллонное или
от заводской пневмовоздушной распределительной сети.
Технические характеристики газопламенной установки
УПН-7:
Наибольшая производительность (по расходу напыляемого мате-
риала) кг/ч:
цинковому ......................................... 7
полимерному ПФН-12 ............................. 11
КИМ (для порошкового напыления), %;
цинкового порошка .
полимерного ПФН-12
ыдамы ывтнца уд
—.ьтнп т« зшоч< п уд
Расход технологических материалов, м3/ч:
сжатого воздуха........................
ацетилена ..........................
Давление наддува, МПа кг/см2
сжатого воздуха .......................
ацетилена
0,3-0,6
(3-6)
0,03-0,10
Вместимость порошкового питателя, дм3
Габаритные параметры, мм:
при пристыковке стояком с порошковым
питателем ............................
газопламенного пистолета ........
Масса аппаратуры (без вспомогательного об<
10
395x460x1100
. 200x60x200
газопламенного пистолета ......................... 1,0
Газопламенная установка УГПЛ-П предназначена для ручного
нанесения покрытий из термопластических полимеров с темпе-
ратурой плавления до 800'С на металлические поверхности для
защиты металлов от коррозии и для исправления поверхностных
дефектов, имеющие любое пространственное положение.
Состоит из распылительной горелки газопламенного напыле-
ния, порошкового питателя, рукавов, редукторов и работает на
пропан-бутане с
Питание технологическим
газом: сжатым воздухом - от заводской пневмо-воздушной сети
или от баллонов, пропан-бутаном - от рампы или баллонов.
Технические характеристики газопламенной установки
УГПЛ-П:
Наибольшая производительность
(по расходу напыляемого материала -
порошка ПФН-12), кг/ч .............
Расход технологического газа м3/ч:
пропан-бутана ........................
сжатого воздуха ...................
Давление наддува, МПа (кг/см2):
пропан-бутана .........................
сжатого воздуха......................
Вместимость порошкового питателя, дм3
Габаритные размеры, мм:
0,05-0,15
(0,5-0,15)
(3-6)
10
300x300x550
газопламенной горелки
300x50x250
Установка УПН-8 предназначена для нанесения покрытий из
порошковых материалов с температурой плавления до 2100’С, а
также для напыления с последующим оплавлением самофлю-
сующихся твердосплавных материалов. Установка состоит из
распылительной горелки, питательного бачка и сварочной горелки
(типа ГС-3) для оплавления покрытий. УПН-8 работает на
пцетилеио-кислородной смеси.
Порошок из бачка в горелку транспортируется кислородом,
используемым затем в процессе горения. Распределение кисло-
рода для подачи порошка в инжектор осуществляется клапаном
с установочным диском, шкала которого позволяет фиксировать
оптималыше режимы подачи порошка в зависимости от массы,
пой горелки рассчитано на работу с избытком ацетилена.
Газопламенная установка УГПТ предназначена для ручного
и механизированного процесса нанесения газопламенных покры-
тий из тугоплавких порошковых материалов широкой номенкла-
туры на металлические поверхности, в том числе на изношенные
поверхности коленчатых и распределительных валов, шатунов
толкателей, головок и блоков цилиндров автомобильных, трак-
торных двигателей и других деталей общего машиностроения.
Установка включает в себя распылительную газопламенную
горелку, питатели: для подачи порошкового окевда алюминия,
по|х>шковых материалов подслоя газотермического покрытия и
спмофлюсующихся сплавов, доставляющих напыляемые матери-
с наибольшей
производительностью, пульт управления.
Газопламенная горелка установки УГПТ может работать в
любом пространственном положении: она может быть закреплена
неподвижно или в специальном приспособлении, которое пере-
мещается вдоль вращающегося изделия.
Регулирование производительности установки - плавное с
пульта управления и ступенчатое путем замены питателя и
мундштука в горелке.
Подача.кислорода и ацетилена - от баллонов или рамп.
Установка позволяет наносить покрытия из керамики темпе-
ратурой плавления не более 2050’С,' а также из порошков
самофлюсующихся и композиционных материалов.
к jtohm ;/•йониЛмПкИйИП ’»
Р”'Техническая характеристика газопламенной
установки УГПТ:
Наибольшая производительность по напыленному
материалу, кг/ч:
н самофлюсующийся порошок (ПГ-10Н-01, ПГ-12Н-01)
в порошок сплава системы медь-алюминий типа
LT-19M........................................
композиционный материал (типа ПТ-19Н-01)......
порошковый материал супербонд (типа ПТ-НА) . . .
На
использования материала
при напылении на вал диаметром 20 мм (не менее)
керамика .......................................
самофлюсующийся порошок.........................
е порошок сплава системы медь-алюминий..........
' композиционный материал.......................
супербонд ......................................
Равномерность подачи порошка (максимальное
отклонение от среднего), % (пе более):
керамика .......................................
самофлюсующийся порошок.........................
порошок сплава системы медь-алюминий............
композиционный материал, супербонд ..........
Размер частиц (основная фракция не менее 80%), мкм:
керамика .......................................
самофлюсующийся порошок.........................
“ порошок сплава системы медь-алюминий..........
композиционный материал.........................
порошковый материал супербонд...................
Максимальный надауав, МПа, (кгс/см2)
ацетилена.................................... 0,
кислорода ......................................
Наибольший расход, м3/ч:
ацетилена ......................................
кислорода ......................................
Полезный объем порошковых питателей, дм3........
Габаритные размеры, мм:
2,2
12
85
70
. 20-40
.40-100
.40-100
.40-100
.40-100
0,6(6)
и 10
250x85x150
600x660x300
газопламенной установки
Масса, кп
газопламенной установки (комплект)
газопламенной горелки................
0,9
В таблице 2.5 приведены сравнительные характеристики
(изотермического технологическ
ства газопламенных покрытий.
для производ-
Таблица 2.5.
Сопоставление технических характеристик
газотермического (газопламенного) оборудования
Тсхюгксм! характеристик. УГПТ УПР-3-М •Метко BR* •Poro.ua'
Максимальная напыленному материалу, хг/ч: оксида алюминия 12 2,2 9 9 к
самофлюсующегося сплава на цилиндрическую поверхность кривизной 90 95 «X»
Удельный расход ацетилена, при напылении самофлюсующегося сплава 0,11 0.53 L54 0.2
кислорода. м3/ч 3 0 5,5 1.4 4.0
Размер частиц основной <|>ракцим, мкм: ^0 ^20° + 40-120
”ТДЛ"“Л",СЛ|>'|ОЙ 0.9 1.1 2,1 3.0
В таблице 2.6 приведены типовые режимы газопламенного
напыления при ручном и механизированном способах нанесения
(изотермического покрытия.
и механизированного оборудования
="
Коррознонно- вдтел'Хя В(О,4оГ 3O-1S0 150-230
Тоже Тоже Тоже Тоже
Корро- Нейзрмь. Тоже Тоже Тоже
•износостойкое - Hull Нейтрал,- <™0)
- двухслойное твердо-мягкое покрытие Бронза; Слегка Среднее (0,35) 100-ISO 180-250
S3 №™.О- Тоже Тоже Тоже
Термостойкое - •«разъемного Ш|0 (So.40>
чугунных отливках (углерода 0,1-1.0%) (<U(W,7o)
Псац^* Молибден (10%)’ га“оТ 80-130 200-300
Комплект аппаратуры УГПТ; УГПЛ; УПТР-85; Л-5405;
МГИ-4Л; МГИ-4П для газопламенного напыления разработан
НИИТавтопромом. Предназначен он для нанесения покрытий
методом газе
с целью защиты деталей и
механизмов машин от изнашивания и коррозии, а также - для
восстановления поверхности изношенных изделий. Такой комп-
лект аппаратуры газопламенного напыления совместим при
монтаже на специальное полуавтоматическое и автоматическое
Основные преимущества: высокая производительность и хо-
рошее качество покрытий, универсальность, надежность и без-
В состав комплекта входят: пульт управления, мсталлизаторы
для нанесения покрытий из проволоки и порошков типа ПГ-СР,
СНГН, ПН, TH и др. с температурой плавления до 183*С,
устройство для крепления газопламенного распылителя на суп-
порте токарного станка или универсальной камеры напыления.
Пульт управления обеспечивает:
- работу аппаратуры в ручном и автоматическом режимах;
- точное дозирование давления напора рабочих газов;
- плавную регулировку скорости подачи проволоки или
расхода напыляемого порошка;
- автономную очистку сжатого воздуха;
- воспламенение горючей газовой смеси;
- установление продолжительности процесса напыления элек-
тронным таймером с автоматическим отключением.
При ручном процессе напыления порошков используется
бункер-питатель, смонтированный на корпусе газопламенной
горелки; при механизированном процессе (после незначительной
2
Рекомендации производству
Таблица 2.7
я .1.1 Пн I'H
Заашга от корроенн Алюминий, цинк, нержавеющая сталь 80-150 15O-2S0 восстановительное или нейтральное Высоко... Для нержавеющей стали - нейтральное
ГТН валов для содержанием 03-1 %С 180-200 250-300 Нейтральное Среднее до
непомижн^ноеддок Сталь с содержанием 0.2-1 %С ! 20-150 200-250 Низкое до
ГТН двухслойных 100-150 алюминия - слегка
переналадки) - выносной бункер-питат
осуществляется от пульта.
которым
Процесс нанесения газопламенных покрытий включает сле-
- предварительную акти
- подогрев основы до т-ры 150-200*;
- напыление слоя газотермического покрытия требуемой
толщины;
- заключительную размерную механическую обработку газо-
термического покрытия.
3. Модификация технологии газопламенного напыления
Модификация технологии газопламенного напыления разви-
СКОРО и прикладного направления. Та
разработками являются исследования ь
го диспергирования, агрегатно-фазовых превращений вещества
напыляемого материала и энтальпии газотермической среды при
различных ее тер
ях. Примером могут
служить исследования газотермического диспергирования при
наложении высокочастотных электромагнитных колебаний на
среду газопламенного факела, что позволяет контролировать
диспергирование напыляемого материала в объеме газопламен-
ного факела и меру завершенности необходимых агрегатно-фа-
зовых превращений. Одновременно с электромагнитным воздей-
ствием высокочастотного поля на среду газопламенного факела
применяется механическое воздействие возмущающих колебаний
на область термического диспергирования, что повышает вели-
чину однородности гранулометрического состава распыляемого
диспергируемого материала. Успехи технологии порошковой
металлургии позволяют получать тонкодисперсные порошковые
материалы, которые, являясь исходным технологическим матери-
алом, в значительной мере оказывают влияние на модификацию
технологического оборудования и средств контроля термодина-
мического состояния газопламенного факела в режиме реального
времени, что служит предпосылкой не только для совершенст-
вования механизма газотермической адгезии, но и повышения
эксплуатационной добротности газотермического покрытия. В
этом случае происходит коренная модификация конструкции
газопламенных горелок, средств доставки напыляемых материа-
лов в зону газотермического диспергирования и ориентации
двухфазного газопламенного потока.
Разрешением диалектического противоречия между необходи-
мостью быстродействия доставки диспергируемого напыляемого
материала на основу и возможность незавершенности в этом
случае агрегатно-фазовых превращений вещества напыляемых
частиц - явилось использование эффекта сверхзвукового истече-
ния газопламенного потока из сопла газопламенной горелки, а
порошкового материала, доставляемых в зону термического
диспергирования в строгой пропорции, что вызвало необходи-
мость изменения компактного состояния напыляемого материа-
ла - использования шнуровых напыляемых материалов, пред-
ставляющих собой шнуровую оболочку из легкосгораемых мате-
риалов (не влияющих на химическое состояние газопламенного
факела), заполненную точно дозированной смесью порошковых
компонентов напыляемых материалов, газотермическое диспер-
гирование которых определяет механизм адгезии при образовании
газотермического покрытия (табл. 2.8).
Таблица 2.8
Шнуровые напыляемые материалы серии “Могул” из
оксидов металлов и их комбинационных окисей
(производство фирмы MTS)
КсьАоаом | «и
С-10 Оксид алюминия - оксид титана 97/3 C-1S Оксид алюминия 100
С-12 То же 87/13 С-18 Оксид хрома 100
С-14 То же 60/40 С-20 Оксид циркония 100
пористости (ГК 2%), причем размер пор составил 10 мкм, а
шероховатость напыленной поверхности Ra 29 мкм.
Принцип сверхзвукового истечения напыляемых частиц в
газотермическом потоке газопламенного факела использован в
установке “Джет-коут 23" (модель К23) фирмы MTS (Германия-
Установка включает в себя систему газоснабжения, пульт
управления и газопламенную сверхзвуковую горелку, систему
водоохлаждения и дозаторы порошка. Горелка состоит из трех
расширяющего сопла. В процессе работы корпус газопламенного
пистолета охлаждается водой. Расход воды, как и в установках
плазменного напыления, контролируется на пульте управления,
и система автоматически отключается в случае перегрева. В
газосмесительной камере смешива!
гея горючий газ и кислород.
Полученная смесь поступает из смесительной камеры через
порошка и транспортирующего газа расположено по центральной
оси горелки, так что они доставляются в самое ядро пламени, а
направления движения высокотемпературных продуктов сгорания
и порошка совпадают. Образующийся гетерофазный напылитель-
i сразу за камерой сгорания.
носителя в частиц напыляемого материала до 600-800 м/с.
Частицы напыляемого материала пластифицированы, поэтому
контролирование качества напыляемого покрытия осуществляется
газопламенного напыления, но и композиционных типа "металл-
карбид", смеси оксидов тугоплавких металлов. Прочность сцеп-
ления с основой позволяет напылять покрытия толщиной не-
скольких миллиметров, при этом покрытия имеют плотную
структуру, устойчивую к воздействию резкого перепада темпе-
ратур или кавитационных явлений в пограничном слое потока
обтекания лопаток паровых турбин.
Основные технологические характеристики
газопламенной установки “Джет-коут-23":
Организация газопламенного
напыления .................
Сверхзвуковое истечение га-
зотермического потока
горючие газы
Пропан (С3Нв) или Метил-
Кислород
Схема подачи порошка напы-
ляемого материала .........
Давление наддува газовых
сред, МПа:
' кислорода
водорода ...................
Дистанция накопления, мм
Длина сопла, мм ............
Сложные физико-химические
300
150
процессы, протекающие во
время газотермического диспергирования напыляемого материала
при организации различных схем прогрессивного газопламенного
напыления ориентируют Потребителя технологии газопламенного
напыления обращаться к номенклатуре напыляемого материала,
беря за основу эксплуата
ки получаемых
газопламенных покрытий, поскольку в стандартной специфика-
ции каждой марки порошка напыляемого материала такой
показатель включает в себя особенности как процесса газопла-
менного напыления, так и газотермического оборудования (таб-
лицы 2.9-2.12).
Таблица 2.9.
Порошки металлических сплавов промышленной серии
“Могул" для газотермических покрытий, получаемых
газопламенным напылением по схеме сверхзвукового
истечения газотермического потока
Химический состав Нипчсят
М-3 С. Mn.Fe.SI.Cr.Nl
назначения.
м - 4 Мп. Fe.Sl.NJ. Си To же.
М - 5 АЦ99.9%) Жаростойкое покрытие.
М - 1 Zn(99.9%) от атмосферного коррозионного воздействия.
М - 9 С. (99.9%) Подслой гаэотермичсского покрытия.
М-32 С. Mn.Fe.Sl.NI.Cr. пористости и шероховатости; декоративное
М-«1 с. Л я. О структуры; как эксплуатационное требует
С. Fe. SI. NI. Ст, Мо Изиосоетойкое^покрытие пошшекиоА
м - « С.Л.Я.М.О Уплотнительное покрытие плотной структуры и хорошей прирабатывасмости.
М <1 С. Mn.Fe, S4.NI, Сг. В
твердости.
Fe.Nl.Cr. Mo. Al Коррозионностойкое покрытие высокой пластичности; при подгонке обрабатывается
C.Mn,F. Подслой гаэотермкческого покрытия с
Шри Химически® состав Hajuwim
М -46 Fe.NI.Cr.Al Коррозионно- и термостойкое покрытие.
М - 47 N1.Mo.AI Износостойкое покрытие.
М-48 Fe. SI, Nl. Cr. А1, В в яств рання контактных поверхностей трения.
М-49 С.Е..ЯСГ Корковое покрытие хорошей
М - 50 С. Мп, Fe. SI. Nl. Cr. Антифрикционное покрытие, обрабатываемое шлифованием до зеркального блеска.
М -55 Nl. Al Подстой гззотермичсского покрытия с
гаэотермнческой адгезии.
М - 100 Mo
газотермического покрытия, имеющего повышенную твердость поверхности.
М-130 Fo.Co.AI
М-136 Co.Sn Антифрикционное покрытие мягких
Таблица 2.10.
Порошки самофлюсующихся сплавов промышленной
серии “Могул” на основе никеля для производства
газотермических покрытий, получаемых газопламенным
напылением по схеме сверхзвукового истечения
газотермического потока
т“рг.‘
H20-I С, Ре, Я NI.B 1100-1120 декоративное или как конструкцион- ное - формообразующих штампов.
Н20-6 Со. ЯМ. В 1100-1120 То хе.
H2J-1 С.Ре.Я.ЯВ 1070-1100 пластмассовых и резино-технических
K-”““
C,Fe.SI. Nl, Cr.B 1020-1030 Жаростойкое покрытие - для защиты корпуса клапанов. сёдел механизма
покрытие для защиты рабочей поверхности прессо-штампового покрытие арматуры рабочих ёмкостей продуктов химического производства.
Н40-1 CF..S4.NI, 1030-1060 Тоже.
Н4О-2 C.Fe.SI, Nl, 1030-1060 Коррозионностойкое покрытие, имеющее
Н4О-3 C.Fe. SI, Nl, Cr.B 1030-1060 Антифрикционное покрытие - твердые подшипниковые покрытия.
Н45-1 C.Fe, SI. Nl. 985-1015 Износостойкое покрытие приводных
червячных редукторов прессов (обработка пластмасс).
Н45-2 C.Fe. SI. Nl. Cr.B 93S-IO1S Износостойкое покрытие, наносимое на
производства.
H4S-3 C.Fe. SI. Nl. Cr.B 985-1015
H55-I C.Fe, SI, Nl. Cr. В. Си. Mo 1010-1035 Тоже.
Н55-2 Cr.FB.CoNMo 1010-1035
инструмента; коррозионностойкое покрытие вала насоса.
HSS-3 C.Fe, SI. Nl. Cr.B. Си. Mo 1010-1035 Тоже.
H60-1 CFe,SI.Nl. 970-1000 Тоже.
м’“ ’“XT
С. Fe, SI, Nl. Cr. В 970-1000 Износостойкое покрытие фильер
клапанных отверстий газораспределительного оборудования
устройств.
Н6О-3 С, Fe, SI. Nl. Cr.B 970-1000 Тоже.
Таблица 2.11.
Композиционные порошковые материалы промышленной
, серии “Могул" на базе никелевых сплавов (оболочка) и
карбида вольфрама (ядро)
В58-1 C.Fe.SI.NI. Cr. В. Мо. Со 970-1000 Износостойкое покрытие, подвергающее-
В58-2 Мо. Со 970-1000 To хе.
В63-1 C.Fe,Si,NI. Cr. В. Мо.Со 1015-1035 Тоже.
В63-2 СгЛ.мЙ» 1015-1035 Износостойкое покрытие, подвергающее-
В63-3 С. Fe, SI, Nl. Cr.B. Мо.Со 1015-1035 Тоже.
В64-1 C.Fe.SI.NI. Cr.B, Mo. Co 980-1020 Тоже.
В64-2 C, Fe.Si, Nl. Cr.B. Mo. Co 980-1020 сопротеаляеностпавраэавному
В64-3 СгЛ.Мо.Со 980-1020 Тоже.
B6S-1 C.SI. Nl.Cr. B.Mo.Co 1015-1035 Тоже.
B6S-2 C.SI. Nl.Cr. B.Mo.Co
льном абразивном воздействии.
М5-3 B.MoNCoCr‘ 1015-1035 Тоже.
Таблица 2.12.
Порошковые материалы сплавов промышленной серии
“Могул” на основе кобальтовых сплавов,
обнаруживающие повышенную пластичность при
ударении с основой
C.Fe.SI.Nl, Cr.B.WC.Co 1075-1105 Жаростойко- и термостойкое покрытие. пирометрические приборы).
КО-45 CrjtwC.Ce 1095-1145 Жаростойкое покрытие; износостойкое покрытие; эрозионностойкое покрытие лопаток газовых турбин.
КО-55 C,Fe.Sl, NI. Сг. B.WC.Co 1080-1130 Тоже.
Ниже приводятся результирующие данные покрытий, получаемых методом газопламенной газотермических ) напыления при
модификации термического или газодинамичес вания напыляемого материала (табл. 2.13). кого диспергмро- Таблица 2.13
Типовые сплавы промышленной серии "Могул”,
используемые для получения качественных
газотермических покрытий при модификации технологии
газопламенного напыления
Мари ХкчхчссхкЙ сост а в
Эеебонд NI.A1 характеристики изотермической адгезии.
Моя^дан Мо ""•“°’
НЦ80/20 Подслой гаэотермнческого покрытия, основа
недостаточную гаэотермическую адгезию к напыляемым частицам из оксидных (керамических) материалов при производстве жаростойких газотермичееккх покрытий.
Мари Хюокиий! с.<т«»
С2 F.-Cr Износостойкое покрытие, обладающее повышенной твердостью (по отношению к
CS Cr-NI-Mn-Fe контактных нагрузок.
CI6 Cr-NkMo-Fe ggsy" У^,°я‘°е !тф!"ж
Износостойкое покрытие для усвоения посадочных мест прессо-штампового оборудования (штифтовые отверстия), подшипниковых узлов, несущих повышенные
“Тафитсн" C-Cr-F. для деталей машин.
Л-Л Cr.Mo-F’e коэффициентом объемного расширения.
AI-C»-NI
коррозионностойкого покрытия при воздействии
“Монель" Nl-C» свойства газотермического покрытия
-ЬбЬпХГ" Sn-Sb-Cu Термостойкое покрытие, работающее в конструкции подшипниковой пары трения, не
АК Al Корковое покрытие, используемое для
На фирме “Метко" разработали газотермическую установку ,
для получения газопламенных покрытий повышенного качества - ,
на основе высокой концентрации газотермического потока в 1
малом пространстве рабочей камеры, получаемого высокоскоро- >
сгнои прокачкой с фокусированием по оси распылителя в виде j
узкого пучка. Данная газотермическая установка, получившая >
название “Даймонд-джет" состоит из основного оборудования: .
1) распылителя (пистолета) марки “Даймонд-джет” DJ; '
2) специализированного порошкового питателя марки DJP: |
3) специализированного газоструйного расходомера марки
DJF: !J
4) комплекта двухступенчатого газового рад ук тора, расе чи-
ни того для прокачки пропилена и кислорода (марки DJR);
включает:
- 4-баллонный трубопровод для подачи кислорода через
разветвленную сеть питания;
разветвленную сеть питания;
- редуктор (для редукции кислорода или пропилена) соот-
ветственно - DJROh DJRP.
Дополнительное оборудование газотермической установки
"Даймонд-джет”:
I) канальный (технологический) удлинитель распылителя
мирки DJTдлиной 609,6 мм, имеющего сменные форсунки;
2) короткоствольный распылитель марки DJST длиной 457,2
мм, используемый для нанесения газотермического покрытия на
внутреннюю цилиндрическую поверхность отверстий малого
диаметра или внутренюю поверхность щелевых отверстий;
3) двухступенчатый кислородный редуктор марки DJRH:
4) трехбаллонный разветвленный трубопровод для подачи
кислорода (номер DJR-3O).
Газа термический распылитель "Даймонд-джет" DJ может
металлообрабатывающего (токарного) станка.
Специализированный порошковый питатель DJP разработан в
фирме “Метко” на основе аналога - блока подачи порошкового
материала марки 4МР. разработанного ранее специально для
питания газотермического распылителя DJ. Порошковый питатель
DJI’
груз
перенастраиваемым рабочим объемом. Система оснащена интег-
рированным порошковым расходомером, на дисплее которого
постоянно индицируется числовая величина линейной скорости
истечения (доставки) струйной порошковой массы в зону газо-
контроля за 1
что является одним из средств
'емого газотермического покрытия.
Блок расходомеров “Даймонд-джет” DJF позволяет выполнять
текущую регистрацию и управление газоструйных потоков
(изотермический распылитель DJ. В состав этого блока входят
псюструйиыс расходомеры горючих газов, кислорода и сжатого
ноздуха. Каждый газоструйный расходомер оснащен манометром
и дроссельным клапаном для пропускания расчетного количества
газа. В каналах газораспределения кислорода или горючего газа
размещены гасители обратного взрывного воспламенения горючей
газовой смеси. Эти газовые расходомеры индицируют измеряемые
расходные значения в процентах от общего расхода газовых
технологических материалов, пересчитывая (при необходимости)
индицируемые данные в других системах технических измерений
(в других единицах измерения).
Блок регулятора системы подачи газовых технологических
материалов - “Даймонд-джет” DJR состоит из двухступенчатых
регуляторов высокого давления для прокачки пропилена или
кислорода, а также - разветвленного трубопровода, позволяющего
подсоединять блок регулятора DJR в совокупности к четырем
кислородным баллонам и трем баллонам с пропиленом.
* Дополнительное технологическое оснащение
• , Удлинитель к стволу стандартного газопламенного распыли-
теля, “Даймонд-джет” DJT используется при необходимости
нанести газотермическое покрытие на внутреннюю цилиндриче-
скую поверхность или на труднодоступную поверхность.
Удлинитель DGT устанавливается непосредственно на ствол
газотермического распылителя DJ.
Газотермический распылитель “Даймонд-джет” DJ можно
устанавливать на стенде или токарных станках.
Специализированный порошковый питатель “Даймонд-джет"
DJP является совершенно новой разработкой фирмы "Метко”,
. созданной на основе хорошо зарекомендовавшего себя блока
подачи послойно-сжиженного порошка 4 МР специально для
газотермического распылителя “Даймонд-джет” DJ.
Это однобункерная система с легко очищающимся бункером,
обладающая перенастраиваемостью, может использоваться в
мастерской, в исследованиях и на производстве.
Будучи снабженной интегральным расходомером порошка,
система постоянно показывает скорость струи порошка в реаль-
ном масштабе времени, что позволяет обеспечить высокое
качество покрытий.
Блок расходомеров DJF “Даймонд” используется дня регист-
рации и управления потоками газа, кислорода и сжатого воздуха
в газотермическом распылителе “Даймонд-джет’’. В блок входят
расходомеры горючего газа, кислорода и воздуха. Дополнительно
каждый измеритель снабжен манометром и дроссельным клапа-
ном для управления потоком газа. В каналы подачи кислорода
и горючего газа встроены гасители обратного зажигания. Расхо-
домеры выдают значения массовых или объемных расходов в
процентах к общему расходу, и эти значения легко пересчиты-
ваются в другие технические единицы измерения расхода.
Блок регулятора подачи газа "Даймонд' фирмы “Метко”
содержит двухступенчатые регуляторы высокого давления для
прокачки пропилена и кислорода и разветвленные трубопроводы,
позволяющие совокупно подсоединять до четырех кислородных
баллонов и трех баллонов с пропиленом.
Удлинитель на стандартный газотермический распылитель
“Даймонд-джет" DJT.
Удлинитель ЛЛГфирмы “Метко” используется для напыления
внутри отверстий и в труднодоступных местах.
Удлинитель устанавливается непосредственно на газотерми-
ческий распылитель “Даймонд-джет” DJ.
взаимозаменяемые 45* и
На
90°-ные распылительные головки. На удлинителе стоят такие же
сопла, воздушные наконечники и другие части, как и на самой
горелке. Это позволяет удобно использовать детали газотерми-
ческого распылителя DJ. которые уже существуют, н уменьшает
возможные заботы заказчика. Поскольку в самой пушке и в
удлинителе используются идентичные головки, характеристики
распыления одинаковы для обоих устройств. Удлинитель позво-
ляет вести напыление покрытий на расстоянии 60 см от пушки.
Мини-удлинитель газотермического распылителя - “Даймонд-
джет" DJST.
В тех случаях, когда удлинитель DJTслишком велик, можно
воспользоваться мини-удлинителем DJST фирмы “Метко”. Со-
вмещенная распылительная головка новой конструкции на рас-
стоянии 46 см от горелки используется для нанесения покрытий
внутри меньших отверстий или же труднодоступных мест.
Блок воздухоочистителя 4АС фирмы “Метко" предназначен
для кондиционирования воздуха рабочей камеры.
Блок убирает воду, масло и пары масла, обычно присутст-
вующие в сжатом воздухе. Этот блок играет не последнюю роль
в обеспечении незагрязненных напыленных покрытий.
С одним воздухоочистителем типа 4АС могут одновременно
работать шесть газотермических распылителей DJ.
Блок управления DJC являе-хя совершенно новой полуавтома-
тической системой управления газотермическим распылителем
DJ. блоком подачи порошка DJP с использованием робота-мани-
пулятора, фиксирующего обрабатываемую деталь.
Составные части системы следующие:
- программируемая система на базе контроллера для автома-
- регулируемые расходомеры горючего газа, кислорода и
воздуха вместе с зажиганием горючей смеси, регистрацией
пламени и рабочей проверкой;
- монитор, на дисплее которого дается текущая информация
по основным характеристикам газопламенного напыления, в том
числе о давлении газов, расходе газов, зажигании, параметрах
пламени.
С одним блоком управления DJC может работать один
газотермический распылитель DJ. Для обеспечения работы не-
скольких газотермических распылителей DJ требуется соответст-
вующее количество систем управления DJC. Система DJC настра-
ивается на величину подачи горючего газа - пропилена, либо
водорода.
По аналогии с работающей ныне системой “С" фирмы
“Метко", любая система DJC может работать как в качестве
ведущей, так и в качестве ведомой в установках с несколькими
газотермическими распылителями. Для этого нужны лишь про-
стые подключения к дополнительным электромеханическим бло-
Блох DJC можно электрически соединить с блоком подачи
порошка и роботом-манипулятором обрабатываемой детали. Это
даст возможность производить совместные согласованные дейст-
вия манипулятора, блока подачи порошка и пушки.
4. Технологический процесс с испол
“Даймонд-джет
Благодаря регулируемому потоку toi
вой смеси и сжатого воздуха расплавленное вещество, ускоряясь,
с большой скоростью подается из пистолета на обрабатываемую
деталь. Результатом является плотное покрытие с большой силой,
необходимой для его отделения от детали, и низкой пористостью.
Горючие газы, либо пропилен, либо кислород, выбираются в
зависимости от требуемых характеристик покрытия. Покрытия с
использованием устройства “Даймонд джет” могут наноситься с
помощью:
- стандартной системы ручного управления;
- кнопочной автоматической системы управления;
- системы с вычислительным устройством.
Термонапылительная пушка (пистолет EGP-6). автоматиче-
ски связанная с EGP.
Эта пушка (пистолет), являющаяся новой разработкой,
позволяет осуществлять напыление в автоматическом режиме,
когда оператор находится вне напылительной кабины. Зажигание
достигают должных значений. После того, как произошло
зажигание, низковольтный блок зажигания убирается от сопла
обратно.
За пламенем следит датчик, находящийся вне пламени.
Датчик встроен в пушку и охлаждается воздухом.
Большинство связанных покрытий нс требует воздушных
струй, однако, верхние оболочки этого требуют. Следует пред-
варительно установить точку пересечения воздушных струй для
верхних оболочек. Во время нанесения связанных покрытий
воздушние струи должны быть убраны, при выдаче же контроль-
ным блоком параметров <
При выключении системы пушка будет автоматически охлаж-
дена сжатым воздухом за 30 секунд, и риск обратного зажигания
исключается.
Новая термонапылительная пушка EGP-6 разработана таким
образом, что к ней подходят сифонный блок, сопла и удлинители
от термоналылительных пушек типа 6Р и 6Р-11. Также все
параметры напыления можно закладывать в новое компьютерное
оборудование термонапылительной пушки.
Датчик вне пламени и блок зажигания могут быть оба
использованы на удлинителях 6РТ-11 Г и 2’. Там, где внутренние
диаметры слишком малы, блок зажигания можно разместить
отдельно. При поднесении пушки к блоку зажигания включаются
газ и кислород, и произойдет зажигание пушки или удлинителя.
После зажигания датчик вне пламени отсоединяет ручное
оборудование для движения пушки.
Разработанная система термического распыления с ЭВМ
удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к автоматиче-
скому распылению, т.к. она контролирует и регулирует все
венные линии обеспечивается наличием входных и выходных
отверстий для соединения с блоками управления.
В системе имеется микропроцессор новейшей модели, обес-
печивающий высокое качество и постоянство наносимых покры-
тий при снижении стоимости их изготовления.
Программирующее устройство может размещаться за преде-
лами помещения, в котором происходит распыление, что предо-
храняет оператора от паров и пыли.
Компоненты Системы EGP:
1 - Основная секция, Тип EGP-B.
2 - Блок программного управления, Тип EGP-C.
3 - Блок подачи порошка, Тип EC8&-P-DUAL.
4 - Распылитель “Термо-Спрей”, Тип EGP-C.
Основная секция, Тип EGP-B.
Основная секция представляет собой модульный шкаф шири-
ной 580 мм, который может поворачиваться на роликах. В шкафу
размещаются микропроцессор, дозировочная аппаратура для всех
газов (ацетилен, водород, кислород, азот и сжатый воздух), блок
вспламенения и блок управления пламенем. Кроме этого в секцию
встроены счетчики для фиксации продолжительности работы и
продолжительности распыления. Все питающие линии подведены
к шкафу с задней стороны. На передней стенке шкафа размещены
соединители для подключения распылителя, бункеров с порошком
и ножного переключателя, приводимого оператором.
Расход газов и сжатого воздуха точно контролируется элек-
тронным массовым расходомером. Такой прибор регулирует
расход топливного газа, кислорода или газа-носителя в соответ-
ствии с запрограммированными значениями с абсолютной точно-
Основная секция герметизирована, чтобы обеспечить безот-
казную работу в пыльной среде. Температура в секции регули-
руется теплообменником в дверце. Это обеспечивает быструю
стабилизацию и поддержание оптимальной температуры в шкафу
в пределах от 25е до 30*С, что гарантирует максимальную
точность. Постоянство температуры поддерживается термостатом,
Концентрация водорода непрерывно контролируется датчиком
утечки водорода. Когда утечка газа достигает первого уровня,
подается сигнал “Желтое предупреждение”. При втором уровне
вся электрическая цепь, чтобы предупредить возможность взрыва.
Основная секция выпускается в двух вариантах:
- EGP-B - только для смеси “ацетилен-кислород",
- EGP-BH - для смесей “ацетилен-кислород" и “водород-кис-
В основной секции имеется также система подачи порошка,
в которой используется принцип “кипящего слоя” для точной
подачи всех распыляемых порошков. Порошковые бункера могут
размещаться рядом с распылителем или подсоединяться к
манипулятору распылителя.
При необходимости основная секция может управляться
вручную с использованием ножного переключателя и имеющегося
на распылителе переключателя “включено-выключено”.
Блок управления с ЭВМ, Тип EGP-C.
Блок программного управления является портативным моду-
лем, обычно размещаемым за пределами помещения, в котором
производится распыление. Однако он может размещаться и в
этом помещении, поскольку он герметизирован от проникновения
пыли. Кабелем длиной 5 м блок подсоединяется к основной
секции и имеет визуальный дисплей, кнопочный пульт, печа-
тающее устройство, а также кнопки переключения режима с
соответствующими индикаторными и сигнальными лампами.
В микропроцессоре запоминающее устройство с произвольным
порядком выборки имеет емкость для хранения 127 программ
распыления, каждая из которых охватывает два покрытия. Может
быть использована полная программа распыления (грунтовка и
наружный слой), а также может быть запрограммировано
однослойное покрытие или же покрытие в комбинации с
покрытием по другой программе напыления.
Никель-кадмиевый аккумулятор предохраняет от утери дан-
ных запоминающего устройства в случае перебоя с электропи-
танием. Замок с ключом предохраняет данные от их изменения
посторонними лицами.
Параметры подаваемого топлива, кислорода и газа-носителя,
а также скорость подачи порошка, давление охлаждающего
воздуха и т.д. вводятся через кнопочный пульт в соответствии
со справочными данными на визуальном дисплее, который
показывает также и вводимые данные. Обычно эти параметры
берутся из 1
Если же из-за ошибки в нажатии
е данные, визуальный дисплей
предупреждаст об этом.
Распылитель включается и достигает рабочих параметров в
соответствии с оптимизированной заводом-изготовителем про-
граммой запуска, которая обеспечивает быстрое достижение
ского управления (если оно подсоединено) подается сигнал
“можно начинать".
На визуальном дисплее демонстрируются запрограммирован-
ные параметры вместе с изменяемыми величинами, которые
непрерывно контролируются и корректируются в пределах 2%
система показывает “Желтое предупреждение" с дополнительным
звуковым сигналом. Если в течение 3 минут не будет внесена
поправка или если отклонение будет таким, что механизм
управления не сможет больше поддерживать нормальные пара-
метры распыления, система покажет “Красную тревогу" и
автоматически выключится. “Красная тревога” появится также,
если будет обнаружена утечка газа, которая могла бы привести
к взрыву.
Управление с помощью микропроцессора контролирует в
влияют на безопасность оборудования.
В зависимости от параметра его чрезмерное отклонение ведет
или к “Желтому предупреждению”, или к “Красной тревоге" с
самовыключением.
: устройст
полную регистрацию процесса напыления в целях обеспечения
качества. Воспламенение распылителя, исходные параметры,
ютров и все предупреждения и
нормальные
тревоги регистрируются с отметкой о времени происходящего.
Если печатающее устройство не требуется, оно может быть
С помощью кнопочного пульта в режиме “Испытание" все
параметры системы могут быть проверены и/или индивидуально
отрегулированы без воспламенения распылителя.
обслуживающим персоналом. Ввод шестизначного кода дает
возможность показать на дисплее все цифровые и аналоговые
входные и выходные сигналы. Может быть быстро обнаружен
источник нарушения работы.
Блок подачи порошка. Тип EG 88-P-DUAL.
Бункеры для порошка могут быть установлены в наиболее
удобном положении вблизи распылителя. Бункера могут быть
смонтированы на манипуляторе распылителя или на дополни-
тельном стенде типа 5Р4.
Штуцера каждого комплекта шлангов механически кодиру-
ются с тем, чтобы к каждому комплекту шлангов мог быть
подсоединен только тот бункер, который имеет соответствующий
кодовый номер.
Подача порошка осуществляется без электромотора. Нет
Если к системе подсоединены два бункера, то возможно их
последовательное использование одного за другим в ходе одного
цикла нанесения покрытий, чтобы получить слоистую структуру
покрытий без перерыва для замены бункеров.
Бункера легко чистятся и герметически закрыты, когда они
не подсоединены к системе. Порошки, которые применяются
часто, могут, таким образом, удобно храниться в дополнительных
бункерах. Для этой цели может быть приобретена навешиваемая
на стенку полка типа ВМ6.
Основные секции регулируют расход газа-носителя. Скорость
подачи порошков “Метко" может регулироваться в широком
диапазоне с отклонением от заданного значения менее, чем на
2%.
Скорость подачи порошка кг/ч:
металлы...................... (
керамика .................... I
карбиды...................... I
0,2-18,0
Распылитель “Термо-Спрей” для автоматической работы в
системе ЕСР. Тип EGP-G.
работу в условиях, когда оператс
помещения, в котором проводится
за пределами
Воспламенение
распылителя выполняется автоматически, когда пропорция газо-
вой смеси достигает соответствующего значения. После воспла-
менения низковольтный воспламени*
отводится от форсунки.
Большинство грунтовочных покрытий не требует воздушных
эжекторов, в то время как для основного покрытия они требуются.
лельно друг другу для нанесения грунтовочного покрытия, а когда
1 переключается для нанесения наружного по-
няв эжекторы автоматически поворачиваются на
крытия,
заранее обусловленный угол.
При включении системы распылитель автоматически охлаж-
дается сжатым воздухом в течение 30 секунд, чем устраняется
риск самовоспламенения.
Новый распылитель “Термо-Спрей" имеет такую конструк-
цию, что с ним могут быть использованы сифонный блок,
форсунки и удлинители от распылителей “Термо-Спрей” типов
6Р и 6P-II. Для новой системы “Термо-Спрей" с ЭВМ могут
применяться также и все существующие параметры распыления.
меняться также и на 1-дюймовом и на 2-дюймовом удлинителе
6РТ-11. В случаях, когда внутренние диаметры слишком малы,
воспламенитель может размещаться где-нибудь отдельно. В этом
включаются горючий газ и кислород, что приводит к воспламе-
нению распылителя или удлинителя. После воспламенения датчик
прекращения горения отпирает механизм управления пере-
мещением распылителя.
Устройство “Даймонд лжет" с управлением от ЭВМ, тип
АТС-DJ. Прогрессивное устройство термонапыления покрытий
типа АТС-DJ фирмы “Метко” представляет собой распылитель
“Даймонд джст" с управлением от ЭВМ, что обеспечивает
точность управления и текущий контроль за процессом распы-
ления, а кроме того, надлежащее программирование рабочих
и точное упорядочение технологических
рочайший диапазон характеристик термо-
Устройство типа АТС-DJ фирмы “Метко"
осуществляет активный текущий контроль и управление всеми
технологическими параметрами, что влияет на свойства осажден-
ных покрытий, гарантируя тем самым их высокое качество,
воспроизводимость от детали к детали и от партии к партии, а
также минимальность брака покрытых деталей.
В качестве основного регулятора в устройстве типа ATC-DJ
фирмы “Метко" используются ПЭВМ фирмы IBM или ЭВМ,
совместимые с ПЭВМ. Ориентация устройства на использование
новейших средств вычислительной техники и связи гарантирует
ему “неувядаемость" в процессе появления на практике техни-
ческих новинок.
Заказное, с управлением с помощью меню, программное
обеспечение, рассчитанное на операторов, не имеющих опыта
программирования для ЭВМ и минимальной подготовки. Рабочие
параметры устройства вводятся и модифицируются посредством
обычных англоязычных форматов с помощью ЭЛТ и клавиатуры.
Двухкоординатная установка позиционирования с
ЧПУ-регулировкой.
Описание функций. Установка позиционирования имеет мо-
дульное исполнение и горизонтальную и вертикальную оси
перемещения. Имеет максимальную эффективную грузоподъем-
ность 20 кг и совместима со всеми металлизационными писто-
летами фирмы “Перкин-Эльмер-Метко". Применение шарико-
подшипников гарантирует устойчивую и безвибрационную уста-
новку отдельных компонентов. Все направляющие изолированы
от пыли и укрыты гофрированной мембраной.
Устройство позиционирования имеет две оси перемещения
- устройство программирования и функциональный блох:
- блок управления.
Программирование. ЧПУ-регулирование в основном предназ-
начено для определенных режимов процессов термического
распыления. Программирование ведется в интерактивном режиме.
Каждая последующая операция указывается на дисплее. Ввод
переменных может производиться по дисплею.
Общие параметры зависят от режима технологического лро-
Программируемыми являются:
- Hex
с временем задержки. В этом поло-
женин может быть зажжен пистолет.
- Предварительное нагревание обрабатываемой детали.
Программу предварительного нагревания можно выполнять в
соответствии с запрограммированными параметрами пере-
мещения. Возможен свободный выбор количества циклов повто-
рения (1-5 циклов).
После предварительного нагревания детали пистолет с боль-
шой скоростью возвращается в исходное положение.
- Пусковой сигнал. С помощью выключателя “порошок/про-
волока" (ON/OFF).
для стабилизации потока порошка.
- После появления фразы “end of program" (конец програм-
0 - прекращение подачи порошка-проволоки - возврат в
- Конец программы.
Применение напыления при восстановлении и изготовлении
дизельных двигателей
Покрытия фирмы “Метко" зарекомендовали себя как
имеющие, с экономической точки зрения, право на существование
при изготовлении и/или ремонте вышедших из строя деталей
Некоторые примеры:
- Вал ротора наддува восстанавливается за 57 минут;
- Днище наддува восстанавливатся за 24 минуты;
- Вал-маховик турборазрядника турбины восстанавливается
за 19,5 минут;
Корпус подшипника турборазрядника восстанавливается за 9
- Область опоры подшипников главного блока дизеля восста-
- Насос автоматической трансмиссии и серповидная область
восстанавливаются за 18 минут.
Покрытия фирмы “Метко” зарекомендовали себя столь удач-
но, что производители двигателей используют их сейчас как для
процесса газопламенного напыления, так и для процесса плаз-
менного напыления.
Обычно обрабатываемые элементы дизельных двигателей:
- двигатель;
- водяные насосы;
- силовая передача.
Обычно покрываемые детали:
- шейки коленчатого вала;
- поверхности головок цилиндров и крышка блока цилиндров;
- оголовья, головки поршней и клапаны.
Составы покрытий:
- “МЕТКО-447” - самофлюсующийся композит молибден-пи-
кель-алюминий;
- “МЕТКО-444” - самофлюсующийся нержавеющий компо-
- “МЕТКО-446” - композит алюминий-железо-хром-никсль;
- “МЕТКО-463” - нержавеющая сталь - композит хрома на
- “МЕТКО-350С” - высокоуглеродистый железо-молибдено-
вый композит;
- “METKO-202NS" - композит окиси циркония.
1.3. Электроду говое напыление
Как технологический метод электродуговое напыление позво-
ляет использовать основные технологические достоинства газо-
термического напыления, присущие прогрессивному промышлен-
ствсннос оборудование, высокую производительность и культуру
организации технологического процесса.
При электродуговом напылении источником энергии тепло-
вого диспергирования является мощный дуговой разряд промыш-
ленного тока, и под воздействием выделяющейся теплоты горения
электрической дуги происходит нагревание и расплавление
вещества напыляемого материала, исходное состояние которого -
проволока, подающаяся в зону горения электрической дуги
Сразу после распыления частицы выходят за пределы высо-
котемпературной зоны электрической дуги и движутся в струе
газа, температура которого резко падает по мере удаления от
180 м/с. При использовании в качестве электродов проволок из
двух различных металлов можно получить покрытие из их сплава.
Эксплуатационные затраты электродугового газотермического
распылителя довольно небольшие. При напылении газотермиче-
ского покрытия распылением двух плавящихся электродов из
разнородных напыляемых материалов желательно использовать
пять индивидуальную регулировку скорости подачи каждого
электрода.
Недостатком метода электродугового напыления является
перегрев и окисление вещества напыляемого материала при
малых скоростях подачи проволочного электрода в зону газотер-
мического диспергирования. Кроме того, большое количество
теплоты, выделяющейся при горении электрической дуги, при-
водит к значительному выгоранию легирующих элементов,
входящих в напыляемый сплав (например, содержание углерода
в материале покрытия снижается на 40-60%, а кремния и
марганца на' 10—15%). Это необходимо иметь в виду и применять
для напыления проволоку, содержащую повышенное количество
Процесс электродугового напыления (принципиальная схема
электрометаллизатора для напыления покрытий из проволоки
приведена на рисунке 1.6) характеризуется его надежной устой-
чивостью при соблюдении оптимального режима газотермнческо-
исходного напыляемого материала нарушает стабильность горе-
ния дуги, возникают токи короткого замыкания, качество
покрытия снижается. Поэтому при работе на переменном токе
целесообразно использовать проволоку большего диаметра (2,5
мм), но вести процесс на пониженной скорости подачи исходного
напыляемого материала. Схема процесса электродугового напы-
ления металла представлена на рисунке 1.7.
ского метода является высокая производительность процесса и
возможность значительного сокращения затрат времени на
напыление. Например, при силе тока 750 А можно напылять
стальное покрытие с производительностью 36 кг/ч, что превы-
шает в несколько раз производительность газопламенного напы-
Электродуговой распылитель должен работать на постоянном
углеродистой стали - 185 А, для цинка - 85 А, применяемый
диаметр проволоки должен быть: для напыления углеродистой
стали - 1,6 мм, цинка - 2 мм. Производительность такого
- 8,5x277*
распылителя при
трехпроволочные электродуговые газотермические распылители
(например, электродуговой распылитель типа УМА-1). При
наличии такого оборудования можно получать композиции псев-
изменении скорости подачи проволоки - и их композиции с
. Оборудование электродугового
газотермического напыления
В настоящее время серийно выпускается ручное и стационар-
ное оборудование электродугового напыления, предназначенное
для нанесения газотермических покрытий в производственных и
эксплуатационных условиях,
рованных и автоматизирован)
В ручных электродуговых распылителях типа ЭМ-14М схема
подачи проволочного напыляемого материала с учетом регули-
ровки скорости подачи реализуется посредством использования
пневматического движителя - воздушно-приводной турбинки, а
распыляющая головка помещена в защитный воздухопроточный
электрической дуги, величину коэффициента использования
напыляемого материала и оптимизирует геометрию струи газо-
термического потока: электрическая дуга возбуждается в точке
изолирован-
провода двух i
ных друг от друга и находящихся под напряжением.
Электродуговой распылитель типа ЭМ-14 предназначен для
напыления антикоррозионных покрытий из цинка, алюминия и
его сплавов, а также для нанесения износостойких покрытий из
Применяют комплект аппаратуры для электродугового напы-
ления - типа КДМ-2, предназначенный для нанесения антикор-
стойких покрытий из молибдена, стали, нихрома на изделия
различной конфигурации в производственно-цеховых условиях.
В комплект аппаратуры КДМ-2 включают: источник промыш-
подачи бунта проволоки, пульт управления, воздушный фильтр
ДВ-41-16 и средства индивидуальной защиты оператора.
Аппаратура электродугового напыления КДМ-2 позволяет
наносить газотермическое покрытие на удалении до 8 м от пульта
управления оператора; при необходимости радиус рабочей зоны
нанесения электродугового покрытия может быть увеличен в два
раза, если позволяют производственные условия (технологически
коммуникации также могут быть удлинены).
Аппарат КДМ-2 разработан на базе тиристорного источника
питания типа ТИМЕЗ-500.
Статические и динамические характеристики ТИМЕЗ-500
обеспечивают более стабильную работу электродугового распы-
лителя и повышение коэффициента использования напыляемого
материала на 10%. Включение в комплект КДМ-2 аппарата
ЭМ-14М позволяет вести процесс электродугового напыления при
токе до 400 А, что еще более повышает производительность
электродуговой газотермической установки. Благодаря высокой
характеристике источника электропитания имеется возможность
выполнять нанесение газотермического покрытия на удалении от
корпуса электродуговой установки до 25 м (при соответствующем
удлинении шлангов и кабелей к аппарату ЭЖ-14М).
Специальное тормозное устройство предотвращает самопро-
извольное разматывание кассет с проволокой во время проведения
технологического процесса, а использование системы двойной
блокировки по воздуху повысило безопасность установки по
сравнению с КДМ-1. Использование новых элементов и специ-
ально разработанных комплектующих приборов, применение
новых эргономических решений (например, укладка кабелей и
теля существенно повышает технико-экономические показатели
установки в целом и облегчает труд оператора.
Налажен серийный выпуск стационарной установки электро-
ду голого напыления - аппарата ЭМ-12М, предназначенный для
нмнсссния газотермических покрытий из цинка, алюминия и его
силанов, углеродистой и коррозионностойкой стали, молибдена и
др. Аппарат состоит из следующих основных узлов: привода,
механизма подачи проволоки, распылительной головки и защит-
ных шлангов. В систему привода подачи проволоки наполняемого
ма1сриала входят панель управления, асинхронный двигатель и
«мениых цилиндрических шестери.
II распылительной головке, прикрепленной к корпусу меха-
низма подачи проволоки, имеется изоляционная панель, на
шпорой размещены токо
направляющими
лмющих канавок профилирован по специальному радиусу, что
увеличивает поверхность контакта проволоки с пластиной (обес-
печивая надежную электропередачу), повышает износостойкость
пластины и стабильность выдерживания точки подвода двух
Расплавляемых проволок в зоне возбуждения электрической дуги.
Регулирование скорости подачи проволоки в распылительную
головку имеет ступенчатое переключение (до восьми ступеней).
рпзователями или выпрямителями электрического тока, исполь-
зуемыми в конструкции сварочных выпрямителей для производ-
ства электродуговой сварки в среде углекислого газа.
Технические характеристики электродугового аппарата
газотермического напыления ЭМ-12
Производительность газотермического напыления
(при 100%-ной выходной мощности), кг/ч:
алюминия........................................... 14
Диаметр проволоки напыляемого материала, мм . . .1,5-2,5
Скорость подачи проволоки, м/мин............. 3,8-14,6
Расход сжатого воздуха (max), м3/ч................ 150
Рабочее давление сжатого воздуха, МПа............0,5-0,6
Сила тока, А ..................................... 500
Напряжение, В:
эл. дуги (пост, ток).............................17-35
питающей электросети (пер. ток) ........... 220/380
. Мощность, кВт:
приводного электродвигателя
Габаритные размеры, мм .........
Масса, кг ......................
525x295x200
.... 23,4
Электродуговой аппарат газотермического напыления ЭМ-14
разработан для ручного выполнения газотермических покрытий
различного эксплуатационного напряжения при высокой стабиль-
ности проведения газотермнческого процесса и мобильности
перемещения на рабочем участке газотермического напыления.
Основной напыляемый материал, используемый в электродуговой
проволока, но допустимо использование стальной, медной и
латунной проволок при производстве газотермического покрытия.
Конструкция ЭМ-14 включает в себя распылительную голо-
вку, привод подачи проволочного напыляемого материала (тур-
редуктор, механизм зацепления и фиксации проволоки напыля-
емого материала, направляющие рукава для защиты проволоки.
Эл. питание ЭМ-14 обеспечивается сварочными преобразова-
телями или выпрямителями.
Технические характеристики электродугового аппарата
газотермического напыления ЭМ-14
Мощность эл. дуги, кВт ...................
16
Сила тока, А ..................
Уровень звукового давления, дБ
Габаритные размеры, мм . . . .
Масса, кг .....................
400
230x133x220
.... 2,3
Стационарный электродуговой аппарат газотермического на-
пыления ЭМ-15
- ЭМ-12М и
мического покрытия, наличием тирасторного узла в механизме
подачи проволоки напыляемого материала, что позволяет осущес-
твлять плавное изменение скорости подачи и автоматически
регулировать интенсивность газотермического диспергирования в
рамках разработанного технологического процесса нанесения
широкополосного газотермического покрытия. Электродуговой
газотермический аппарат ЭМ-15, конструкционно нс отличается
мического покрытия любой пространственной ориентации. ЭМ-15
предназначен для механизированного нанесения металлических
покрытий из цинка и алюминия с целью защиты металлоконст-
рукций от коррозии в атмосфере, естественных водных средах и
жидком топливе, повышения жаростойкости сталей (алитирова-
нием), декоративной отделки, экранирования (для устранения
Может быть использован для нанесения износостойких по-
крытий из стали, меди, молибдена и других металлов.
Состоит из распылительной головки, механизма подачи
, редуктора, двигателя постоянного тока; комплектуете
п|>еобразоватслями ПСМ-1000 или выпрямителями ВДУ-1601.
Технические характеристики электродугового аппарата
газотермического напыления ЭМ-15
Производительность газотермического напыления
(при 100%-ной расходуемой мощности), кг/ч:
алюминия.................................................2
цинка ......................................... 6.
Диаметр проволоки напыляемого материала, мм
Скорость подачи проволоки, м/мин............
Расход сжатого воздуха (шах), м3/ч .........
2-3
2-15
150
Рабочее давление сжатого воздуха, МПа............0,5-0,6
Потребляемый сетевой ток .................трехфазный,
переменный
............ 17-35
.......... 220/380
............... 50
Сила тока, А ............................................до 800
Мощность, кВт:
эл. дуги..................................... 16,0
приводного эл. двигателя ................. 0,16
Габаритные размеры, мм:
распылителя ......................... 520x175x225
пульта управления ........................ 350x537x310
Масса, кг:
электродугового газ
пульта управления
кого распылителя 15
................... 31,5
Типовые режимы электродугового напыления с использова-
серийиого производства приве-
технологических материалов для производства защитных газо-
’ - 3 ~ Таблица 3.1.
Типовые режимы электродугового газотермического напыления основы при окружной
скорости позиционирования обрабатываемой поверхности 0,017 м/с
Тсжмоплгккпк параметры
и— П^- °"*-*
Корковое покрытие - восстановление изношенных деталей из чугуна или стали Сталь 40 2-5 8-15 1.2-23 75-150 50-175 20-35 0.4-0.6
Износостойкое покрытие - Сталь У10 2-5 8-15 1.2-23 75-150 50-175 2-3S 0.4-0.6
Сталь 12XI8H10T 13-2.0 20 1.0-1.2 135 100-120 30-35 0,5-0.6
noKpu’"e °6,,wr° Алюминий 1.5-2.0 30 13-2.0 50-60 35-100 И 0.5-0.6
Ц»..к 13-2.5 15 1,2 40 60 0,6
Антифрикционное покрытие - мягкие подшипниковые ^юмюшй 13-2.0 20 13-2.0 50-60 35-100 25-30 03-0.6
термических покрытий методом электродугового напыления при-
ведены в таблице 3.3.
Таблица 3.2.
Типовые режимы электродугового напыления
(при давлении распыляющего сжатого воздуха 0,5 МПа)
Углеродистая сталь <0.1% С) 1.6 28 160 3
Цинк 2.0 28 100 6
Алюминий 2.0 24 75 2
Бронза 2.0 18 130 5,5
Медь 1.6 24 90 з
Латунь 190 5
Таблица 3.3.
Соответствие электродугового газотермического
покрытия видовой характеристике коррозийной среды
Нагое,вгхыЯ мжтгрол 1
нс содержащая примесей Цвик. 0,08-0.10
газов в виде дымовых аэрозолей Тоже. 0.20
содержащая следы присутствия сернистых газов Цинк я последующая 0,10
содержащая следы присутствия окраской лакокрасочными материалами. 0,20 0.12
постоянной повышенной Цвик»—»; 0.10-0,20
Хдратржпаа юдоИЬк* ср«ш
Водная среда: пресная, при температуре 50*С Цинк; Цинк и последующая материалами; ** Сталь 12Х18Н9Т 0.10-0.20 0,10 0,15-0,25 1,15-2,00
морская, при температуре 50*С Цинк н последующая 0,20-0,25
материалами; Сталь 12Х18Н9Т с 1,50-2,00
Насыщенный водяной пар Алюминий 0,20-0.30
Порошки из двух- или треххомпопентных сплавов металлов образуют уникальные технологические материалы для производ- ства газотермического покрытия электродуговым методом. Этому
ского вакуума при электродуговом напылении. Такими типовыми материалами являются проволочные исходные материалы марки “Могул” (производство фирмы MTS). разработанные специально для нанесения газотермического покрытия универсального или электродугового напыления: МОГУЛ ЭКСБОНД . . . Специальный никель-алюминевый “* <Ni - Al) сплав повышенной адгезии с осно- вой.
МОГУЛ АЛЬКРО .
(Cr-AI-Fe)
Специальный сплав повышенной
адгезии с основой, малой пористо-
стью газотермического покрытия;
разработан специально для произ-
водства универсального газотерми-
ческого покрытия, обнаружи-
МОГУЛ С2 . . . (Cr-Fe) . . Хромистая сталь, обнаруживающая сочетание характеристик упрочне- ния износостойкого покрытия (на- носимого на основу высокой твер-
те
дости) с характеристиками корро-
зионно стойкости.
Модификация сплава МОГУЛ С2,
МОГУЛ сз...............
tt’r-Fe)
держанием хрома и более высокими
физико-механическими характери-
противодействия абразивному из-
носу и коррозии в агрессивных
Особый хромоникелевый сплав для
МОГУЛ С5.............
(Cr-Ni-Mn-Fe)
МОГУЛ С16............
(Cr-Ni-Mo-Fe)
роз ионностойких покрытий, стой-
ких к воздействию неорганических
кислот; обнаруживает повышенные
характеристики старения, в особен-
ности под нагрузкой.
Специальный хромоникелевый сплав
покрытия повышенной износо- и
МОГУЛ С20...........
(C-Mn-Fe)
Спсциальная инструментальная сталь
для газотермического упрочнения
ответственных элементов конст-
рукции штампо-прессового обору-
МОГУЛ ТУФТОН
(Cr-Fe-Mo-V-W)
МОГУЛ БРОНЗА ....
(Ai-Cu-tfi)
предел ительного узла выхлопного
коллектора двигателя внутреннего
сгорания, мест посадки особонагру-
жаемых подшипников качения.
В составе газотермического покры-
тия обнаруживает повышенную
твердость; используется специаль-
но для ремонта коленчатых валов.
Специальный сплав для производ-
ства антифрикционных газотерми-
ческих покрытий тел скольжения и
качения (подшипники, втулки,
поршни); коррозионностойкие ха-
МОГУЛ МЕДЬ......
бенности по отношению кислотных
агрессивных сред, а также - по
отношению к морской воде.
Чистая, без примесей медь, специ-
(Си) ально легированная особыми добав- тромагнитные характеристики
МОГУЛ АЛЮМИНИЙ (AI) электродугового напыления. . Специальный сплав для нанесения газотермического покрытия уни- версального применения. Таблица 3.4
Влияние напряжения электрической дуги на силу
сцепления металлизированного слоя (сталь) с
основанием (чугун)
Toi. А И
60* 80 20 3800 12.1
65* 90 25 3400 9.7
80* 100 30 5800 16,6
90* 100 35 4300 11.6
Таблица 3.5
Зависимость прочности сцепления металлизированного
слоя от тока и производительности металлизатора
“F
(К»7 ю’ Т"
Чугун Бронза 0.5 660 35 25 3600 10.3
Чугун Бронза 1.0 1080 65 30 3800 12.1
Сталь Бронза 1.5 1650 95 35 5200 16.6
Таблица 3.6.
Режимы электродуговой металлизации деталей машин
Параметры режима метяллташм
ин! ”^Х“' ..... pinh -
чугунных в стальных деталей Сталь 08 8-13 1.2-23 7SH50 50-175 20-33 О.4-4.0 2-5
Повышение износостойкости С~>« 40 « 8-15 1.2-2.5 7S-1S0 50-175 20-35 0.4-4.» 2-5
Нанесение антикоррозийного 12XI8H10T 20 1-1.2 13S 100-120 30-35 0,5-4.» 1.5-2
Нанесение жаростойкого покрытия Алюминий 30 1,5-2 50-60 35-100 25 03-5.6 13-2
Устранение литейных пороков и Цинк 15 1.2 40 60 25 0.6 13-23
Нанесение на подшипники антифрикционного покрытия Биметалл алюминий 20 13-2 S0-60 35-60 30-100 03-5.6 13-2
2. Модификации технологии электродугового напыления
Рабочая среда газотермического диспергирования типа дина-
мического вакуума с постоянной продувкой подсасываемых
инертных газов позволяет плавно регулировать изменения режи-
ма электродугового напыления. В этих условиях процесс терми-
ческого диспергирования проволочного материала переходит в
зону форкамеры с более высоким давлением,
распыления газотермического потока, и становится более плав-
ным (равномерным) с условиями более динамического разгона
диспергируемых частиц. Профилирование канала прокачки газо-
термического потока позволяет разогнать поток напыляемых
частиц до величины звуковых скоростей (и более), что неизбежно
приводит к повышению действенности механизма газотермиче-
ской адгезии. Кроме того, постоянный отсос из рабочей камеры
(по ходу движения газотермического потока) газовой среды и
шлейфа газотермического потока, выходящего за контуры ядра
газотермического потока, позволяет уменьшить газонасыщснность
напыляемого покрытия, т.е. его пористость.
Интенсификация газотермического диспергирования достига-
ется смещением пространства электродугового разряда - распо-
ложением такого пространства между электродами (напыляемым
материалом) и основой, если подавать по
наполняемый материал. В этом случае,
полярность
потенциала, можно регулировать температурное поле газотерми-
ческого диспергирования, границы газотермического потока и
химическое состояние границы раздела основы с напыляемым
Улучшение эксплуатационных качеств газотермического по-
крытия достигается также ^комбинационным воздействием: газо-
покрытия) и механической обработкой - уплотнением образуе-
мого газотермического покрытия ударным воздействием дроби
сразу по мерс образования такого покрытия (патент 126471
“Новый процесс электродугового газотермического напыления
(SSP)”, разработанный фирмой A.R.E. Singer. Великобритания).
Соотношение масс дроби и слоя обрабатываемого напыленного
изменяться по величине в сторону увеличения или уменьшения,
что зависит от вещества напыляемого материала (плотности,
физико-механических свойств) определенного термодинамическо-
го состояния. Толщина слоя обрабатываемого таким образом
газотермического покрытия обычно составляет 1/5 диаметра
напыляемых частиц 50-200 мкм. Дробь направляется так, что ее
удары вызывают пластическую дефс
напыленного на основу слоя. После отскока от поверхности дробь
собирается на дне камеры напыления.
Процесс S.S.P проводится в герметической камере. Для
распыления осаждаемого металла (износостойких и коррозион-
но-стойких Ni-Cr и Со сплавов) могут применяться плазменно-
дуговые установки, работающие в азоте, или кислородно-ацети-
кислорода в составе покрытия. В обоих случаях горячий газ
используют для расплавления металла в виде порошка или
проволоки. При этом методе возможны более широкие диапазоны
размеров напыляемых частиц, а также скоростей напыления и
охлаждения. При дробеструйной обработке с горячей пластиче-
ской деформацией происходит уплотнение покрытия.
В области электродуговой металлизации ведутся работы по
созданию высокочастотных систем электропитания с частотой
в 2-3 МГц. Схемы горелок для высокочастотного напыления
Все большее внимание начинает уделяться формированию
потока с целью увеличения скорости части напыляемого мате-
риала и его большего размельчения. Работы сейчас развиваются
по пути создания систем с соплами, позволяющими увеличить
скорости частиц сжатого воздуха. Одновременно стремятся лучше
сфокусировать поток, регулировать его коэффициент сосредото-
: ценности. Оптимизация условий течения и использование совре-
। менных методов диагностики гетерофазного потока приведут к
изменению традиционных представлений о процессе электроду-
I говой металлизации. В этом плане привлекают внимание работы
, Стеффенса (ФРП в области контроля химической активности
, потока и среды при таком процессе.
Применяются системы электродугового напыления, рабо-
I тающие при пониженном давлении инертной атмосферы в камере.
В этом варианте процесс плавления проволок перемещен в
। фотокамеру, имеющую более высокое давление, чем в объеме
камеры напыления. Это обеспечивает надежное плавление и
последующее формирование потока высокотемпературного газа
и капель. Профилирование сопла позволяет ускорить поток газа
до сверхзвуковых скоростей и, соответственно, обеспечить боль-
шие скорости часп
ала, а, следовательно,
повысить прочность сцепления покрытия с основой и частиц в
рабочей камере удается добиться дегазации металла и понизить
обеспечены, если зажечь дуговой разряд между проволоками,
подаваемыми в камеру, и основой, на которую ведется напыление.
В этом случае, варьируя полярностью потенциала, подаваемого
на основу, и мощностью, вкладываемой в разряд, можно
воздействовать на температурный уровень процесса формирова-
ния покрытия частиц и в напылительном потоке, чистоту границы
раздела основы с покрытием, а также частиц между собой.
Прогрессивной является разработанная за рубежом электро-
дуговая распылительная установка МТС-АЗ с 10 программами
Применяется для больших валов,
переключающих вилок, тормозных барабанов, коленчатых валов,
для универсальных применений при ремонтных работах.
Применяются также новые аппараты со специально профи-
лируемыми соплами взамен чисто цилиндрических. В результате
достигается увеличение скорости частиц, увеличение компактно-
сти струи (уменьшение угла распыла). Используются многоэлек-
тродные аппараты, в которых применяются две-три и более пар
проволок. В результате обеспечивается получение сложносостав-
ных, композиционных покрытий.
1.4. Плазменное напыление
Как технологический метод нанесения газотермического по-
крытия плазменное напыление выделяется возможностью исполь-
зования плазменной струи, в потоке которой частицы напыляе-
мого материала химически не разлагаются и нс испаряются при
высоких температурах (металлы и сплавы, оксиды, карбиды,
нитриды).
Мощность плазмотрона при неизменном токе разряда зависит
от конструкции его межэлектродного пространства и от рода
плазмообразующего газа (носителя газотермически диспергируе-
мых частиц): аргона, азота, водорода, гелия и смесей этих газов.
Плазменное газотермическое покрытие отличается от других
технологических газотермических покрытий улучшенными экс-
плуатационными показателями, но сама возможность нанесения
плазменного покрытия и его эксплуатационная добротность
реализуется только в условиях современного производства с
высоким уровнем культуры прогрессивных технологий, участ-
вующих в технологической цепочке плазменного напыления.
пыления являются порошки тугоплавких металлов, оксидов,
твердых сплавов, композиционных материалов, по получение
• требуемого газотермического покрытия, функциональные (экс-
ханическим возможностям напыляемых материалов, возможно
только в случае соблюдения ряда технических условий, предъ-
являемым порошковым материалам и способу их доставки в зону
газотермического диспергирования: неизменность химического и
' гранулометрического состава, стабильность массовых соотноше-
’ ний транспортирующего газа и напыляемого порошка, подавае-
мых в зону газотермического напыления.
Источником энергии газотермического плазменного напыле-
ния является мощный дуговой разряд, при котором температура
эл. дуги колеблется в диапазоне 5230-15700*С. Электрическая
дуга зажигается между вольфрамовым неплавящимся катодом и
водоохлаждаемым медным анодом-соплом, через который непре-
i рывно под давлением прокачивается плазмообразуюший газ,
= выполняющий роль рабочей среды.
В промышленных плазменных горелках плазменную струю
J получают путем вдувания в электрическую дугу, возбужденную
газа и его газодинами-
По специальному каналу в плазменную струю вдувается
напыляемый порошковый материал, частицы которого, нагрева-
ясь, одновременно приобретают высокую скорость. Схемы про-
Рве. 10 Схемы процесса плазменного напыления:
а) для работы па порошках, б) для работы на проволоке.
/ - сопло плазменной струи (анод). 2, 3 - подвод и отвод охлаждающей
вольфрамовый электрод (катод), 7 - подача напыляемого порошка, 8 -
(анод), 10-i
1. Параметры плазменного
напыления
Конструктивные параметры
плазменного распылителя. Наи-
большее влияние оказывают пара-
метры межэлектродного проме-
жутка. К ним относится диаметр
и длина канала сопла, профили-
рование канала сопла, заглубле-
ние электрода в сопле, длина
ся или фиксированного анодного
пятна, и место ввода напыляемого
материала, диаметр, угол и форма
Параметры, характеризующие
режим работы плазменного распы-
лителя. Напряжение и сила тока
плазменный пистолет, 4 - дугового разряда; состав и расход
5 - манипулятор.
плазмообразующего газа.
Параметры напыляемого материала и условий его ввода. С
увеличением размера частиц возникают трудности их нагрева до
температуры плавления. При этом резко снижается эффектив-
ность процесса.
диспергирования.
Параметры, характеризуй
ввод порошка, относятся
[и в зону газотермического
плазменного напыления характерны следующие специфиче-
параметры рассматриваемой группы: расход защитного газа
ведении процесса с местной защитой; давление и температура
в рабочей камере.
Параметры плазменной струи и потока напыляемых частиц. К
параметрам плазменной струи относятся: среднемассовая темпе-
ратура, энтальпия и скорость истечения плазменной струи на
срезе сопла распылителя; изменение этих параметров и состав
газа по оси струи и в сечениях; тепловые и скоростные границы
плазменной струи (угол расхождения); длина начального участка
плазменной струи; длина высокотемпературного участка плаз-
менной струи.
В целом, параметры
труп определяют нагрев и
Параметры потока частиц при плазменном напылении харак-
теризуются следующими величинами:
температура напыляемых частиц; скорость напыляемых час-
тиц; распределение температуры и скорости частиц в конусе
твие напыляемых частиц с газовой фазой;
испарение, сублимация и диссоциация; плотность потока частиц
по пятну напыления.
Эффективность прогрева частиц напыляемого материала и
распределение скорости распыляемых частиц в объеме газотер-
мического потока определяются характером технологического
1>сжима плазменного напыления и соответствием ему конструкции
2. Напыляемые материалы
Для образования плазменных газотермических покрытий
используется широкий диапазон порошковых материалов, полу-
чаемых методами порошковой металлургии (табл. 1.1-1.7). Выбор
конкретного напыляемого материала определяется эксплуатаци-
онными характеристиками защитного (упрочняемого) газотер-
мического покрытия, а также величиной дисперсности порошка
кик исходного технологического материала. Для производства
плазменного газете рь
нать порошки тонко,
Металлы:
Алюминий . . . 170-325
Молибден . . . 235-325
Никель . . . 190-325
Металлы- ком позиты
(зернистость 170-325 меш):
Никель-графит (75-25)
То же (85-15)
Цирконий + 20 % оксида ит-
Твердые сплавы
(зернистость 270-325 меш):
Карбид вольфрама - кобальт
Металлические сплавы
(зернистость 180-325 меш):
Никель-хром (80-20)
Бронза-алюминий (80-20)
Мсдь-никель-индий (70-25-5)
Медь-ннкель (70-30)
Кобальт-никель-хром (60-20-20)
Алюминий-иттрий (97-3)
(88-12)
Карбид хрома - никель (75-25)
Стабильность термодинамического состояния плазменного фа-
рочнения композиционные порошковые материалы, подразде-
ляющиеся на термореактивные и термонейтральные. Термореак-
тивные порошковые материалы позволяют использовать энергию
плазменного финала для интенсивного агрегатно-фазового пре-
вращения веществ, входящих в частицы композиционных порош-
ковых материалов, и синтезирования нового химического вещес-
отличаются склонностью к сохранению
i напыляемого материала. В таблице 4.1
приведен состав компонентов композиционных порошковых ма-
териалов, получивших широкое применение в производстве
плазменных газотермических покрытий.
Таблица 4.1
Состав компонентов композиционных материалов
Термо ре аки иные композяиии
Интермеплличеиие (NIHAI); (NIHnx (CoHAD: (NIPHAiy. (NJCrHAI)n др.
Керметные (AIHNiO); (А1НМоОэУ. (AIHWOp и др.
Металл - тугоплавкое соединение СПНад.): 01-<SIC); СП-(ВЧС); |(Z«MSr3N>(OMSiC)B др.
Термонейтральные композиции
Кераинчкк» « «ермепше (SKJ-HCr.OA CnO.XALO,); (NI) (AI.O.); (МЙ&ОД CCo)4ZK)2xM(MgO) и др.
Металл - тугоплавкое соединение (Co>(WC): (NIHWCk (NI) (Cr,C y. (Ni)4TIB2): (CuHSJC); (Ni)-(TiC) и др.
Металл — твердый смазочный (М>-(графит>;(NIHCuXCuHMoSJв др.
ча тсруыл (Nl)- (алмаз); (Си)-(алмаз) я др.
Использование устойчивого термодинамического состояния
। плазменного факела является необходимым условием производ-
‘ ства качественного газотермического покрытия, но это возможно
1 только при стабилизации порционного расхода порошка как
1 исходного напыляемого материала.
Расчетными характеристиками равновесного состояния пор-
’ ционного расхода порошкового исходного материала являются его
1 следующие насыпные характеристики: угол естественного отко-
определяющими для проектирования технологического процесса
доставки порошкового материала в зону газотермического энер-
го ровання.
Угол естественного откоса - величина, характеризующая
склонность порошкового материала к сыпучести в свободном
состоянии (только под воздействием силы собственной тяжести),
«1то имеет определяющее значение для проектирования конструк-
ции бункера порошкового питателя установки плазменного
газотермического напыления при подаче порошковых материалов
самотеком. Величина угла естественного откоса определяется
экспериментально для тщательно просушенного и размолотого
Для большинства порош-
в виде конуса или
ковых материалов угол естественного откоса находится в преде-
лах 25-70° и зависит от геометрической формы частиц порошка
и природнойсыпунести материала, что определяется равновесным
состоянием насыпанной порошковой массы при отсутствии воз-
действия внешних сил. Угол естественного откоса фактически
является углом трения порошкового материала в его насыпном
состоянии. В таблице 4.2 приведе
угла
Фторпласт-3 44 210 310
Фторпласт -4 327 415
Фторпласт-42Л 150-160
Этклцсллюлоэа ЛК 0.345 41 206-210
Насыпная плотность - величина, характеризующая весовое
(массовое) содержание порошкового материала при свободной
засыпке в емкость бункера порошкового питателя. Насыпная
। характеризует плотность порош-
косого материала, размер его частиц, состояние их поверхности
и определяет оптимум гранулометрического состава для порош-
кового материала полидисперсного состава (когда более мелкие
частицы порошкового материала заполняют пустоты между
крупными). Более высокую насыпную плотность обнаруживают
порошковые материалы с гранулами (частицами) шарообразной
формы и гладкой поверхностью.
Насыпная плотность определяется на приборе, называемом
волюмометром, который представляет собой прямоугольный в
сечении канал с наклонными перегородками, по которым дви-
жется насыпаемый в прибор измеряемый порошок, равномерно
разрыхляясь при этом и заполняя на выходе мерную емкость
точно фиксированного объема (25 см3) в уровень с краями.
Насыпной объем порошка взвешивают, определяя этим его массу
и рассчитывая далее насыпную плотность по соответствию:
цце - масса мерной емкости;
М2-то же, с порошком; .)
V - объем мерной емкости. J
Плотность утряски. На компактное расположение порошко-
вого наполняемого материала при доставке его в зону газотер-
мического диспе]
воздействие со стороны работающих механизмов аппаратуры
газотермического напыления, что вносит возмущение в расчетную
величину порционного расхода исходного напыляемого материа-
ла. Коррективы в расчет подачи напыляемого материала в
рабочую зону газотермического напыления могут быть внесены
на основе учета плотности утряски транспортируемого порошко-
вого материала, т.е. отношения массы порошкового материала
к величине уменьшенного объема, занимаемого порошковой
массой. Метод определения плотности утряски регламентируется
ГОСТ 25279-82, в соответствии с которым навеску просушенного
порошка размещают в мерный стеклянный цилиндр (рис. 1.4.2.2)
и подвергают вибрационному уплотнению с частотой встряхива-
ния 100-300 1/мин и амплитудой 3,0ЧМ± 0,2 мм. Величина
амплитуды регулируется кулачком встряхивающего механизма.
Испытания прекращаются при установлении неизменяемого объ-
ема уплотняемого порошка. Плотность утряски определяется
соотношением:
где m-масса порошка;
Максимальную плотность утряски обнаруживают порошки со
сферической формой частиц, в особенности те порошки, грану-
лометрический состав которых неоднороден.
Текучесть, или способность порошковых материалов пере-
мещаться в том или ином направлении, составляющая которого
совпадает с векторами силы тяжести, оценивается ГОСТ 20899-75
как время истечения навески порошка т (с) массой 50 г через
калиброванное отверстие диаметром 2,5 мм (рис. 1.4.2.3). * I
порошкового материала просушивается в термошкафе в течение
одного часа при т-ре Ю5°С и затем охлаждается до комнатной
температуры. Калиброванная воронка изготавливается из корро-
зионностойкой стали марки I2X18H10T и имеет высоту 80 мм,
растровый угол засыпки 6О’± 30' и калиброванное отверстие
Проба испытываемого порошка массой 50± 0,1 г засыпается
воронки. Отсчет времени истечения порошка из воронки произ-
водят секундомером синхронно с открытием выходного отверстия.
Отсчет времени прекращается с фиксацией истечения последних
частиц напыляемого порошка. Результат испытаний получают
повторных измерений,
после проведения
порошкового материала определяют по соотношению:
т - текучесть порошка, с;
I - время истечения контрольной навески порошка как
среднеарифметическая величина измерений, с;
калибровочного отверстия,
равный отношению величины 25,3 к величине средне-
арифметического значения пропускаемое™ объема 100
см3 дистиллированной воды через калиброванное от-
всрстис при температуре 20 ± ГС, повторенное до
пати измерений.
В таблице 4.3 и 4.4 приведены характеристики технологиче-
ских свойств типовых порошковых материалов для производства
плазменных газотермических покрытий, учитывающие физиче-
ские свойства насыпных материалов.
Таблица 4.3
Гранулометрический состав и свойство текучести
типовых порошковых материалов для плазменного
напыления (по данным фирм “Глидден Металз" и
“Силования")
Форыячастхп Т
Янкельборкремнневые сплавы Сферическая £ 105 i 16
слл,», г Тоже S 105 SIS
Механическая смесь 35 % Смесь 65 % сферических и 35 % угловатых 53-105 То хе
Тоже 35 % сферических 53-105 17
Карбид вольфрама с 12 % Сферическая 44-74 8-12
Вольфрам То хе 44-74 8
То хе То же 10-44 15
Молибден То же 44-74 8
То же То хе 10-44 15
Тоже 44-74 2S-3O
То хе То хе 10-44 30-35
Тоже 20 Н”"»’
Форн.ж.ст»
и никельхромборкремниевого 3S-53 |’-И
Карбид вольфрама с 12 % кобальта (дробленый) неправильная 5-20 Не течет
Таблица 4.4
Технологические свойства молибденовых порошков
производства фирмы “Штарк" (Германия)
т/1‘
Амперит 100.0 спекание 99,0 0,15 3 1 5,5-22,5
Амперит 100,1 то же 99.0 0,15 4.9 22.5-45 10-22
Амперит 100,2 то же 99,0 0,15 4.0 45-90 19-25
Амперит 100.3 то же 99,0 0,15 3.6 5.6-45
Амперит 100,54 то же 99,0 0,15 10-45
Амперит 101,056 то же 99,0 1.9 60-100 40-55
Амперит 102.3 плавление 99 0,1 5.6 5.6-45 8-11
Амперит 102,7 то же 99 0,1 5.8 16-90 9-12
Амперит 103,2 спекание 97 2.5 2.9 45-90 27-33
Амперит 103,3 то же 97 2.5 3,2 5.6-45 24-32
Амперит 104,2 конгломери- 97.0 2.4 45-90 2S-40
Амперит 104,3 то же 97,0 2.6 5.6-45 30-60
Амперит 105,2 99.0 0.2 2.3 45-90 25-40
Амперит 105,3 то же 99.0 0,2 2.5 5.6-45 30-60
порошке марки Амперит 104
в<|г|»и'1ескаа. Содержание органической связи в
Насыпные характеристики исходного порошкового материала
онрсделякттся, в свою очередь, гранулометрическим составом
порошков, в зависимости от технологических особенностей их
I производства. Каждая партия порошкового материала для нане-
паспорт с характеристикой гранулометрического состава постав-
ляемого порошкового материала (табл. 4.5).
Таблица 4.5
Гранулометрический состав
полимерных порошков, (%)
Ра»к?м ч*сп«п пороши, кжм
-S6 56-J05 J05-150 имя 250-3 IS ★SIS
Капралом В 13.5 33.5 42,5 10.0 0,5 о
Полиамид АК-7 32.0 36.0 17,5 13.0 1.5 0
Полиамид П-68 23,0 373 36,0 2.5 1.0 о
Пал и капроамид 16.0 52,0 21.0 8.5 2,5 0
Полиформальдегид 24.0 29,5 9,0 8.0 8.5 21.0
Для стабилизации химического состава напыляемого плазмен-
использование самофлюсующихся продуктов (табл.
Таблица 4.6
Самофлюсующиеся порошки NiCrBSi - сплавов
производства фирмы “Метко” (США)
ирро <иоаз в .tnroifiROC.aqno
ти нтх>мнл<ам. и .воашоцои
....." • ... Таблица 4.7
Самофлюсующиеся порошки на основе WC производства
фирмы “Метко” (США)
№ Сосгаа, % по яссу
1260 Ct Al Я га
31C-NS 62 35 - и 2.5 2.5 46 2,5 0,5
32С 62 80 - 3.5 0.8 0.8 14 0.8 0.1
34F 59-62 50 9 3.5 2 33 2 0.5
34Р 59-62 50 - 9 3.5 2 33 2 0.5
36С 60 - 35 11 2,5 2.5 BAL 2,5 0.5
439NS-2 46-50 50 - 6 0.7 1.5 1.5 BAL 1 0.5
1123 47 75 4.3 1 | BAL 1 0.2
Варьирование метрическим и гранулометрическим составом порошкового напыляемого материала позволяет использовать энергетические возможности плазменного газотермического обо- опальных плазменных покрытий. Применительно к плазменной газотермической аппаратуре серии “Даймонд” (США) разрабо- таны специальные порошковые материалы:
Мяры аорошм Фуямяовмявос вомясаие
Даймаллой-1000 покрыт», уш^рс^ьного
Даймаллой-2000 фрикционные покрытия, обнаруживающие особо
Даймаллой-3000 Яироетойкк по^^о&аружмми^.
Дай.маллоД-4000 у?”"" Ч|А1В
Общими характеристиками плазменных газотермических по-
крытий, нанесенных с использованием порошковых материалов
марки “Даймаллой-1000п-’’Даймаллой-4000”, являются: высокая
величина предела прочности, высокая плотность и достаточная
толщина - безотносительно к величине твердости покрытия.
тодом в качестве исходного напыляемого материала используется
также специально изготовленный проволочный напыляемый ма-
териал Преимущество проволочного исходного материала перед
порошковым состоит в возможности более управляемой доставки
напыляемого материала в зону газотермического диспергирова-
ния, но само изготовление такого проволочного материала, в
составе которого был бы весь спектр номенклатуры типовых
напыляемых материалов, - достаточно проблематично, поэтому
состав проволочного напыляемого материала ограничивается
металлами и их сплавами.
Проволочные материалы достаточно часто используют для
производства подслоя газотермического покрытия, имеющего
слабую адгезию с веществом основы даже в процессе выполнения
плазменного газотермического напыления. Для этих целей ис-
пользуют молибденовую проволоку промышленной чистоты
вещества молибдена более 99,95 %. В условиях плазменного
напыления молибден обнаруживает качественную и стабильную
адгезию с веществом основы черных металлов. Кроме того, сами
по себе молибденовые плазменные покрытия обладают хорошей
износостойкостью. Молибден является единственным материалом,
который используют в промышленности для защиты элементов
конструкций от действия горячей соляной кислоты. Кроме •
молибдена в
покрытия ис-
газотер>.
пользуют проволоку из никельалюминевых, нихромовых, а также
экзотермических сплавов, которые обнаруживают не только
высокую адгезию с основой при плазменном напылении, но и
коррозионностойкие характеристики, в особенности к окислению,
а также при одновременном воздействии высоких температур
газовой окислительной сферы.
Для нанесения коррозионностойких газотермических покры-
тий используют алюминиевую проволоку типа АД1, проволоку
алюминиевых сплавов типа АМц, проволоку из материала
коррозионностойких сталей, которые используют обычно в
производстве сварочных соединений, а также проволоку из
аустенитной низкоуглеродистой коррозионной стали типа
; 12Х18Н10Т.
Проволоки из алюминиевой бронзы, например марки БАЮ,
применяют для нанесения антифрикционных покрытий, такие
покрытия отличаются высокой плотностью, хорошо обрабатыва-
Для антифрикционных покрытий подшипников скольжения
ответственного назначения, работающих при больших давлениях
абаббита с высоким содержанием олова, «л-н ипяй - вюшпхот
3. Плазменное газотермическое оборудование (плазматроны)
используют дуговые (его конструкция представлена на рисунке
1.13), высокочастотные (ВЧ) и свсрхвысокочастотные (СВЧ)
плазматроны. Для возбуждения электрической дуги в рабочей
зоне газотермического напыления
используется электромеханиче-
ская система. Промышленные
порошковые (типа ПП25) и про-
волочные (типа ПМ25), конструк-
ционно относящиеся к установке
УПУ-ЗД. Порошковый плазмат-
УМП-6. Для напыления внутрен-
них поверхностей диаметром бо-
лее 40 мм предусмотрены плаз-
ПГП-1-600; ПГП-1-1000; ПГП-1-
1500.
Плазматроны типа М8 позво-
ляют выполнять доставку порош-
кового напыляемого материала в
рабочую зону плазменного газо-
/ - подвод постоянного тока и находящуюся за анодным пятном,
охлаждающей воды, 2 - что позволяет добиваться высоко-
°вХо^юм^ы^кат^д4-м1дн^й го значения коэффициента ис-
катод, 5 - изолятор, 6 - рабочий пользования порошка, даже при
рукоятка, 8 -
распылители РП-3 отличаются
возможностью подачи порошка
как в дуговую камеру, так и в плазменную струю. Особенный
интерес представляют плазматроны с МЭВ, например, ПН-6 и
др. К узко специализированным плазменным распылителям
относятся ’ конструкции, позволяющие применять в качестве
плазмообразующего газа воздух, воздух в смеси с природными
газами и т. д. В стадии совершенствования находятся двухструй-
ныс плазменные газотермические распылители, позволяющие
осуществлять осевую подачу проволоки или порошка.
Бываете я на методе образования газопламенного факела, по
способу изоляции рабочего объема колюры плазменного напыления,
регенерации использованной газовой среды.
По методу получения газопламенного факела различают
газотермические плазменные установки с электродуговыми плаз*
матронами и высокочастотными индукционными плазматронами.
По способу изоляции рабочего объема камеры плазменного
процесса на воздухе. Для напыления с местной защитой
используют различные насадки на плазматрон, местные негер-
получают установки для плазменного напыления с общей
защитой процесса в герметичных жестких камерах. Жесткие
ограничения, накладываемые природой вещества напыляемых
материалов на энергетические возможности газотермических
ским характеристикам плазменных покрытий, побуждают активно
использовать феномен динамического вакуума или полностью
контролируемой атмосферы рабочей среды плазменного газотер-
напыления проводится либо при нормальном атмосферном дав-
лении инертной газовой среды в рабочей камере, либо при малом
вакуумном разряжении (133-200 Па).
В качестве источников питания для обеспечения процесса
плазменного напыления могут использоваться сварочные маши-
ны-преобразователи АПР-402, ИПН-301, ПД-502У или полупро-
водниковые выпрямители, которые в зависимости от требуемой
мощности могут соединяться параллельно или последовательно.
Однако особенности сжатой эл. дуги и специфика технологии
плазменного напыления потребовали создания специальных ис-
точников питания дуговых плазматронов.
Большое распространение также в установках, предназначен-
ных для плазменного напыления, получили источники питания
Этим можно регулировать среднее значение выпрямленного
напряжения и тока. Выпрямитель, собранный на тиристорах,
исключает необходимость в дополнительных регулирующих си-
ловых элементах (дросселях насыщения, магнитных шунтах,
сторами используют фазосдвигающее устройство.
В практике плазменного напыления в настоящее время
наибольшее распространение получили источники ИПН-160/600,
применяются также АПР-402, АПР-403.
напыления, в решающей степени зависят от конструкции и
характеристик плазматрона как рабочего инструмента плазмен-
ного напыления, который при длительной непрерывной работе и
бильность параметров плазменного потока, иметь падежную
конструкцию и быть простым в эксплуатации.
Наибольшее распространение в технологии нанесения покры-
тий и изготовления деталей получили дуговые и струйные
плазменные горелки (рис. 1.14), принципиальная схема электро-
питания плазменной горелки представлена на рисунке 1.15, а
схема конструкция питателя на рисунке 1.16. Применяются
частично фиксированной (уступ в сопле) длиной дуги, что
связано с простотой их конструкции, малыми габаритами и
серийно выпускаемыми установками (УМП-6, УПУ-7 и УПУ-8),
а также обеспечением хороших энергетических и технологических
показателей.
В отличии от данного типа, плазматроны с межэлектродными
вставками (МЭВ) хотя и имеют более сложную конструкцию, но
за счет большей
дуги обладают большим
ресурсом работы электродов при высокой мощности плазменной
струи. Эти плазматроны перспективны при механизированном
процессе напыления. Для дополнения можно указать, что
плазматрон ПН-14м стабильно и надежно работает на аргоне
при небольших токах дуги (100-350А) я напряжении между
электродами 80-150В.
Успешно применяются такие новые установки, как АРП-403,
ОБ-1255, УН-108, Плазма НИТИМ-600, 15В-Б и др.
Прогрессивными у нас в стране являются полуавтоматические
установки 15В-Б и установки УМП-8, УМП-7, УПУ-7, УПУ-8,
УН-115, 118, 120.
Новый этап развития ГТН
повышением уровня автоматизав
Полуавтомат 15В-Б представляет собой первый шаг на пути
создания автоматизированных установок для плазменного нане-
сения покрытий. Он позволяет напылять покрытия на плоские и
цилиндрические поверхности. Полуавтомат может быть рекомен-
дован к применению в мелкосерийном и ремонтном производствах
с широким ассортиментом напыляемых деталей, а также может
быть использован в составе механизированного комплекса.
В комплект полуавтомата входят: камера напыления; мани-
пулятор для перемещения плазматрона по двум взаимно перпен-
дикулярным координатам, расположенным в горизонтальной
плоскости; вращатель детали с осью вращения, расположенный
н горизонтальной плоскости; установка для плазменного напы-
ления и наплавки УМП-6; механизированная задняя бабка;
к их условий труда оператора;
комплект оснастки, состоящей из патрона, заднего и переднего
центров; система управления полуавтоматом; шкаф для газовых
баллонов.
Конструкцией полуавтомата предусмотрены возможность на-
стройки дистан
в пределах до 300 мм, поворот
плазматрона в вертикальной плоскости бесступенчатый в преде-
лах 120*; возможность установки пневматических патронов,
ный пневматический привод заднего центра; защита манипуля-
тора от попадания пыли и аэрозолей; возможность загрузки и
разгрузки тяжелых деталей (массой до 250 кг) цеховыми
Процесс нанесения покрытий осуществляется в автоматиче-
ском режиме по предварительно установленной программе.
Основные технические данные полуавтомата 15В-Б
Наибольшая масса напыляемых деталей, кг........ 250
Размеры цилиндрических напыляемых деталей, мм:
диаметр ...........................
То же, плоских, мм ....................
Скорость перемещения плазматрона, мм/с:
вдоль оси шпинделя ....................
поперек оси шпинделя...............
Регулирование скорости перемещения
плазматрона ...........................
едя, об/мин
шпинделя
. ... до 1500
.......25-320
.1200*180*250
1-50
4-180
6,3-320
.бесступенчатое
I, где газоплаз-
менный факел образуется при использовании газовой смеси
горючего газа и инертного газа,
#и мощности эл. дуги 80-100 кВт
становится реальной производительность плазменного напыления
15-20 кг/ч (при газотермическом распылении оксида алюминия
При использовании в качестве плазмообразующего газа смеси
пропин-бутан - горючий газ с воздухом (окислитель) на
электрической мощности 150 кВт достижима производительность
установки по оксидам 20-25 кг/ч, а по никелсхромоборкремни-
традиционные рабочие газы (Ar, N2; Аг+Н2; Аг+Нс; N2+Hj и т.д.).
разработаны проф>
каналы инжекционных сопел
(типа сопла Лаваля)у позволяющих извлекать сверхзвуковое
истечение потока газопламенного факела. Повышение кинетиче-
ской энергии газотермического потока увеличивает степень
адгезии напыляемого материала с основой, повышая прочность
сцепления более 50-70 МПа (в зависимости от природы вещества
напыляемого материала и основы) и плотность газотермического
покрытия до 96% от максимально возможной; при этом неиз-
бежно увеличение расхода плазмообразующнх газов (от 7,0 м3/ч
и более).
Примером может служить плазматрон SG-100В фирмы “Плаз-
мадайн” с электрической мощностью 80 кВт, расходом плазмо-
образующего газа до 14 м3/ч при давлении 1,75 МПа на вводе
в горелку. При напылении плазматронами такого типа в открытой
атмосфере возможно достижение скоростей частиц напыляемого
материала до 300-600 м/с. Подобное техническое решение
стимуляции адгезии при плазменном напылении повышает не
только характеристики газодинамической активации основы в
процессе проведения плазменного напыления, но и решает
проблему устойчивости эжекции порошковых материалов гипер-
звуковым потоком прокачиваемого плазмообразующего газа, что
реализовано на плазменной газотермической установке УМП-2
Таблица 4.8
Технологические характеристики прогрессивных
плазменных газотермических установок
4. Эксплуатационные особенности плазменного
газотермического оборудования
Установка для нанесения газотермических покрытий на
детали, чувствительных к тепловому воздействию плазменной
струи, создана на базе установки УПУ-3. В комплект входит
дополнительный пульт с аппаратурой для прецизионной дозиров-
ки подачи газов и порошка. В модернизированной горелке типа
ГН-5Р мощностью до 25 кВт дуговой канал выполнен из трех
участков: двух конических и промежуто
Максимальный расход газа составляет 2r- с'1 при давления
6-105 Па, при этом производительность по напыленному матери-
алу равна 0,1-1,2 кг • я'1 для АЦО, и 2 кг • я’1 для вольфрама.
Установка “Термосив" разработана на базе серийной уста-
новки УПК-ЗД. В комплект входят вытяжной шкаф типа
2Ш-НЖ, манипулятор, система отсоса газа и дополнительный
пульт управления. В установке используется плазматрон ПТВ-50.
Мощность плазмообразующего газа составляет 50 кВт при
максимальной силе тока 600 А. Расход плазмообразующего газа
(азота) - до 2 г • я'1, газа, защищающего азот (аргона) - до
0,5 г с’1, производительность по напыленному АЦО,-3-5 кг я’1.
Таблица 4.9
Основные технические характеристики серийных
плазменных газотермических установок
УМП-» ДПР-403
• Мощность эл. дуга плазматрона. кВт 30 120
• Производительность по напыленному материалу (покрытия), кг/ч: ♦.5 го [О
• Плазмообразующие газы Аргон; аэот; hIIL
9 Расход пляямлября чующих газов, м /ч 4 15
• Давление прокачки газовой струн, кПа 400-500 450-550
• Расход охлаждающей воды. дм3/мин 3.5 5.0
• Система зажигания эл. дуга плазматрона Контактная Принудятель-
• Технический ресурс электродов (номинальный режим эксплуатации), ч г 20 15
• Масса установки, без источника эл. S26S 6000
Установка “Монолит” разработана на базе прототипов - серийных установок типа УПУ-ЗМ, УМП-5, УМП-6 и УАП-8. Отличительной особенностью плазматрона в этой установке является высокая компактность струи, позволяющая получать покрытия с платностью, составляющей 80% плотности литого
материала. Мощность плазматрона достигает 10 кВт, производи-
тельность по напыленному материалу - 2 кг ч'1 при работе на
АЦО,.
Установка для нанесения газотермических покрытий в газо-
плазменной среде сгорания углеводородных соединений имеет
мощность до 60 кВт (из них 45 кВт приходится на электродуговой
разряд, остальное - энергетическая мощность, выделяемая при
горении углеводородов). Установка укомплек
питания “Киев-4”: рабочий ток - до 300 А;
тельность по напыленному порошку достигает 10 кг • ч’1.
Мвогодуговые установки плазменного напыления представля-
ют собой компактное объединение трех-четырех плазматронов,
работающих с применением общей выхлопной и смесительной
Плазменная газотермическая установка ОБ мощностью 40 кВт
имеет универсальное использование относительно номенклатуры
напыляемого материала, при этом допустимо выполнять разовое
тел вращения диаметром до 600 мм и длиной до 800 мм.
Напыление производите
атмосферных условиях.
воздушной среде при нормальных
Плазматрон охлаждается дистиллированной водой от авто-
номной насосной станции.
Технические характеристики газотермической установки
плазменного напыления типа ОБ:
Напряжение питающей сети, В.....................
Мощность плазматрона, кВт ......................
Максимальные размеры обрабатываемых деталей, мм:
диаметр ...................................
Давление рабочих газов, МПа:
350
° ii
водород ............................
. Расход рабочих газов, м3- ч’1:
водород .....................................
Расход промышленной воды, м3 ч"1.........
Объем системы с дистиллированной водой, дм3,
0,35
Объем бункера дозатора, дм3................лз . . . 2,5
Частота вращения изделия, мин'1 ............ 9,5-950
Скорость перемещения пистолета, мм- мин'1 >н
рабочая ....................................... 12-1200
прогоиочная ........................... 100-1000
Плазменная газотермическая установка УН-108 разработана
для производства газотермических покрытий с использованием в
природных или промышленных горючих газов, в том числе
ки УН-108 стал плазменный резак - серийно выпускаемый
аппарат с циркониевым электродом, анодом которого является
вращающийся стальной водоохлаждаемый диск, технический
|>ссурс которого достигает 500 рабочих часов (аналогичный диск
из меди имеет ресурс в несколько раз более). Технологической
особенностью этого аппарата является способ доставки порошко-
вого напыляемого материала в зону газотермического дисперги-
|юваиия - инжекция порошка непосредственно в столб плазмо-
образующей эл. дуги, что интенсифицирует процесс теплового
диспергирования клетку порошка напыляемого материала.
Характеристики плазменной
газотермической установки УН-108, УХЛ-4:
Напряжение питающей сети, В................ 380 ± 10
Мощность плазматрона, кВт ................. 120 ± 5
Размеры обрабатываемых деталей (тел
вращения), мм: .............................. 0600*800
Плазмообразующие газы
.воздух, азот,
пропан-бутан
Давление газов, МПа:
воздух, азот ................................. 0,4-0,6
пропан-бутан.................................. 0,2-0,4
Расход газов, м3- ч"1:
воздух,-азот ......................................... З-Ю
пропан-бутан.......................................... 2-6
Параметры воздушной системы доставки порошково-
го напыляемого материала в рабочую зону:
давление, МПа ............................... .
расход м3- ч'1 ..............................
Охлаждение плазматрона
напор, МПа . . . .
Емкость бака дистиллированной воды, дм3
Условия частоты вращения напыляемого изде-
лия, мин'1 ...............................
Скорость линейного перемещения плазматрона,
9,5-950
прогоночная
12-1200
100-10000
В табл. 4.10 и 4.11 приведены данные об установках для
плазменного напыления.
В табл. 4.12 приведено сопоставление основных рабочих
характсрист
<, лиди-
рующих в производстве газотермических покрытий, а в табл.
4.13 - технологические условия режимов нанесения плазменных
газотермических покрытий из порошка простых металлов.
:ьПМ ,аосш
oqon нхяатэод икотою Йояшудо-
;увэс.огурод£д «• вг-ыч^м оч
.ьхО
ТжбливжС!»
Установка Осаомыс теоанесои вкымты
Л~- М°“Г' Г** т
градиентных покрытий УМП-7К 30 Композиция до водород и их смеси 4-S 400
Для плазменного напыления УН-104(107) <0-80 Порош.. одорол. гелий 3-4 3SO-TOO 300
ОБ1955-О1 50 То хе То же 3,0-4 350-700 -
УН-10» 120 ± 5 Тоже пропан-бутан 9-10 400ЧЮ0 -
Основные характеристики установок плазменного напыления производства зарубежных фирм
--.У— Л-У—-
(OOU расход, м’/ч по жтшиу по афамиас
PLA-9, ЛЕД (Великобритания) 11 600 Аргон 200 2 1
Плазма НИТИМ-600У, 35 700 Аргон, водород 5,2 30 64 •
комбинат по металлокерамике (Болгария)
Плазматрон-джест. АВКО (США) 40 1000 Аргон, водород, гелий 2Л 100 5,7 2,9
Метко ЗМВ. “Метко" (США) 40 400 То же 1.7 100 1.7 3,2
Метко 7МВ. “Метко" (США) 30 1000 Аргон, водород, азот. »4 4,4
Экономайзер, “Метко" (США) 40 500 Аргон, аэот, водород 5
SG-lOO.-Плазмадайн" (США) 40 Аргон, водород, гелий 50 4 2.2
Плазмаган Систем 12-923, “Дрейсср" (США) 60 700 А»г 5 100 S.6 4,2
35 900 Аргон, водород з 75 м
Технологические параметры процесса плаз>
использованием порошковых материалов простых металлов
Таблица 4.13
эго напыления с
ШпылкхмА Вфоаос XZ.'. х
м““ X с~” ““
Бериллий 25-76 Лаборатораня горелка 21 700 29 Ar+Hj 24-3,4 Аг 0.45 1
Бор - “Плазмадайи” SG-I 25 750 29 Аг 1,8 Аг 0.78 -
- УПУ - 2М 25 250-350 65-70 N, N 2
3.0 - Анод 901356; катод 901066 15 500 30 Лг 2.0 Лг 0,17
2.88 100-150 “Метко^З МВ с 30 400 65-70 н= <’ 4
м “Плазмадайи” SG-1 25 175 25 Аг 14 Аг 0,42
300 SGHTOaM<"‘" 3S 600 56 Не <•2 Лг
80 иУ“' и 280 80 Л 1.2 ”. 0,48 6
120-220 То же 30 290-450 62-68 ". 3.0 7
Титан 3.0 300 “СНЕКМА" 90 500 - - - к
гаг»ш«.
ь““' Ou.™., “Z. Стам.
Хром 2.4 120 умп‘5 «-13 - S
1.56 90 УПУ-3 15 500 30 Аг
100 У МП-5-68 11-12 - 0
0.9-130 100 “Плазмаркос" PJ-106 20 300 S5-00 £ 0,9 13 N: 0.6 1
“Плазмадайн" SG-1 25 500 30 Аг 2,25 Ar 034
70-80 PLA700 20 500 40 Аг - 3
Кобальт “Плазмадайн" SG-1 25 4<К> 29 Аг 1.8 Ar 0.6 2
н“"ь "МЕТКО" 2М. ЗМ 30 Аг Ar 4
3.9 То хе 30 700 35 Аг 2.0 Ar 0.17 5
120 “Плазмаркос" PJ-106 25 200 80-90 N. 13-1,7 ”, 0.6 6
S S 8 s Й s
8 Й S 5 X • ' o*
4 4 1 f
ё й 8 ! -'§ 5?
! А 4 is" 4 £ 4 4z"
И- 8 8 •
1 8 § § §
Н« а 8
1 L 0 88 н 8 8? Р ll л I n nib 11
и s !г s ° 1 8 8 8 a
] Is 5 5 2 1 8
1 1 i
Hi * s a S
L 1 1 2 § §
1 и < 1 i z" x~
И 3 s. s. o-S-
! <xM fft zY
ii- I <* ।
§ I § 1
|lh a Й T =
I ? f s i J h if h
II' a I a s 8 I s
I IL 5 » 1 5
I i f i i
сталь X18HI3.
1.33 кПа; для получения алектролроводнмых газотермических покрытий
0.15-0.25 мм.
12. Диаметр напыляемых частиц 63 мкм.
16. Основный материал •
ЯП *ОХЗ»РКЧТ1ЭТЛ eVJNWO то» к
iwt1
1.5. Высокочастотное плазменное напыление
(ВЧ-плазменное напыление)
ВЧ-пла
плазменного газотермического напыления, выделившееся в само-
crcs г ель но существующий метод газотермического напыления
кочастотной плазменной установки представлена на рисунке 1.17.
ВЧ-плазменное напыление подразумевает использование ВЧ-
плазматрона как рабочего инструмента термического дисперги-
рования напыляемого материала - разогрев его вещества до
температур плавления или испарения, если получаемое газотер-
мическое покрытие должно приобрести особокачественные харак-
го вакуума, при которых происходит направленная конденсация
паров вещества напыляемого материала. В конструкции типового
ВЧ-плазматрона используют рабочую камеру, где в качестве
распылителя применяется набор кварцевых стержней с суммарной
площадью испарения до 5000 мм2, а плазмообразующего газа -
Конструкция технологического узла ВЧ-плазматрона состоит
ловки и индуктора. Принцип работы высокочастотной плазменной
горелки основан на возможности высокочастотного индукционно-
го разогрева плазмы (как электропроводящей среды) электро-
магнитным полем высокой частоты. Плазма в этом случае играет
роль короткозамкнутого одновиткового проводника, являющегося
вторичной обмоткой трансформатора, у которой первичной
является сама высокочастотная обмотка.
В конструкционном отношении схема организации высокоча-
стотного плазматрона достаточно проста: газоразрядная (рабочая)
камера выполнена из тугоплавкой неэлектропроводной трубки,
материалом которой в основном является кварц. Газоразрядная
камера с одной стороны прокачивается плазмообразующим газом,
с другой стороны она свободно сообщается с атмосферой. В
газоразрядную камеру монтируется устройство предварительной
(инициирующей) ионизации газа, поскольку в нормальных
условиях газы не электропроводки и, следовательно, не обнару-
живают свойств электрической проводимости. Индуктор охваты-
вает пространство вокруг газоразрядной (рабочей) камеры н
возникновения дугового разряда в объеме газоразрядной камеры -
наводит электромагнитное поле в зону эл. разряда, повышая тем
самым энтальпию рабочего пространства, спосЫгную термическим
способом диспергировать инжектируемый в ионизированную
газовую струю порошок напыляемого материала.
Инициирующая ионизация плазмообразующнх газов, прока-
чиваемых через рабочее пространство газоразрядной камеры,
осуществляется в зависимости от организации технологической
схемы ВЧ-плазменного напыления (что соответствует термоди-
намическому равновесному состоянию среды газотермического
потока) - посредством возбуждения электродугового разряда,
разогрева корпуса инициатора газовой ионизации или использо-
вания электрического пробоя.
Во время работы плазма принимает форму ярко светящегося
удлиненного эллипсоида с центром свечения, смещенного отно-
сительно индуктора вниз по прокачиваемому потоку ионизиро-
ванного газа. В высокочастотном плазматроне достигается менее
высокая температура плазменного факела, чем в дуговом, но
। тот же, что и в дуговом
характер ее распределения
плазматроне (рис. 1.5.1.2).
ВЧ-плазматроны имеют технологическое ограничение, связан-
ное с соотношением расхода прокачиваемого плазмообразующего
газа и величины анодного напряжения: увеличение порционного
расхода ионизируемого газа при постоянной величине анодного
напряжения вызывает распад плазмы из-за снижения уровня ее
ионизации. При малых анодных напряжениях плазма также
распадается. Ограничением для ВЧ-плазматрона является и
характеристика кварцевой трубки, граничные условия которой
накладывают ограничения и на мощностные характеристики
ВЧ-плазматроиа в целом. Обычно в
питания применяют генератор типа ВЧН-63/5 мощностью 60 кВт
при частоте тока 5,28 МГц.
йога материала,
менном напылении, зависит от величины глубины прогрева
плазмы, которая оценивается соотношением
1=50<М, л
где р - ударное сопротивление плазмы, Ом/см; а
f-частота пом, МГц. »•
2. Практика ВЧ-плазменного напыления
Упроч
поверхности промышленного инструментария и
технологических приспособлений, гае твердость и износостой-
кость поверхности играют определяющую роль, наиболее эффск-
типпо достигается средствами ВЧ-плазмешюй технологии нане-
Применение высокоэнергетической высокочастотной индукци-
онной плазмы, содержащей углерод и кремний, позволило полу-
чить па деталях переходную зону с особыми свойствами: высокой
твердостью и прочностью одновременно, высоким сопротивлением
ударным нагрузкам и разгаростойкостью. В то же время благодаря
топкому внешнему слою покрытия очень высокой твердости
деталь приобретает высокую износостойкость, примерно в 2,5
раза превышающую износостойкость детали после обычной
термической обработки.
Разработанный процесс характеризуется отсутствием продав-
ливания слоя в условиях повышенных динамических нагрузок,
пониженной температурой объемного (интегрального) нагрева
деталей (180-200*С). Кроме того, покрытие из карбида кремния
не изменяет исходную шероховатость поверхности деталей.
Преимущества ВЧ-плазмешюго напыления в производстве
инструмента реализованы в конструкции опытно-промышленной
установки “Плазма-401”, позволяющей наносить такие покрытия
без специальной зашиты зоны газотермического напыления.
Характеристики установки “Плазма-401”:
Потребляемая мощность, кВт...................
Площадь единовременного напыления, см2.......
Диаметр установочных столиков, мм ............
Раствор охлаждаемой воды при температуре на вхо-
96
60
20-90
200
Давление в системе водоохлаждсния, МПа . .
Рабочий газ ..............................
Расход рабочего газа, м3/ч....................
Давление в плазматроне, МПа...................
Расход охлаждающего воздуха, м3/ч, не более . .
Давление сжатого воздуха, МПа.................
Масса, установки, кг .........................
. . . 0,2-0,05
3-10
. 1200
3200
блока генераторного ...........................
блока технического (с блоком нагрузочного кон-
тура, приводом и пультом управления)...........
1770
Габаритные размеры, мм:
блока генераторного .
1350
1340x2000x2280
блока технического (с блоком
нагрузочного контура, приводом и
пультом управления ..............
1000x2350x3260
Проведение обработки при атмосферном давлении обчеловли-
вает простоту обслуживания установки, а также ее низкую
I стоимость. Высокая надежность работы установки “Плазма-401"
(может работать в непрерывном режиме), благоприятные условия
для ее автоматизации, высокая производительность позволяют
• получить значительную экономию материальных и трудовых
с ресурсов.
t Перспективы развития метода упрочнения в ВЧ-плазме при
г атмосферном давлении связаны с разработкой новых спсциали-
а также по выбору и
р тированных моди
л оптимизации составов упрочняющих покрытий.
При проведении ВЧ-плазменного напыления в условиях
открытой атмосферы по традиционной схеме технологии произ-
сопла, претерпевает
турбулентное
окружающим воздухом, что приводит к уменьшению скорости
частиц напыляемого материала, начиная с некоторого расстояния
от среза сопла, и к захолаживанию. В результате возрастает
вероятность появления непрогретых частиц в зоне формирования
покрытия. Другим вредным эффектом является возможность
протекания неконтролируемых химических реакций с газами
воздуха.
Есть два пути преодоления возникающих при этом проблем.
Первый это создание ламинарного потока плазмы на выходе из
плазматрона, в результате чего предотвращается подмешивание
холодного газа в гетерофазный напылительный поток. Такие
аппараты позволяют создавать ламинарную струю плазмы боль-
шой протяженности. Порошковый материал вводится в струю
плазмы на срезе анода с минимальным количеством транспорти-
рующего газа или без него. Так как высокотемпературная зона
в этом потоке имеет большую протяженность (100-700 мм вместо
50 мм у дозвукового турбулентного), то частицы материала лучше
проплавляются из-за увеличения времени пребывания их в
напылении может достигать 100-500 м/с, а их температура -
превышать температуру плавления. Ламинарная струя плазмы
имеет малую площадь сечения и малый угол расходимости (1-3’),
что приводит к повышению коэффициента использования мате-
риала при напылении на мелкие детали. Кроме того, может быть
снижен расход плазмообразующего газа до 10 л/мин. Уменьша-
ются энергетические затраты и значительно снижается уровень
шума - до 30-70 дБ вместо 120-130 дБ при традиционном
напылении плазмой.
Второй путь - напыление сверхзвуковым плазматроном в
камере с разреженной атмосферой. В этом случае генерируемый
плазматроном поток истекает в объем вакуумной охлаждаемой
камеры, где в течение всего времени напыления поддерживается
требуемое давление, исходя из особенностей нанесения заданного
лмотсрмического покрытия, величины динамического вакуума -
от 1,33 Па до 40 Па. В этом случае также отсутствует
ным окружающим газом, и высокотемпературная зона может
достигать протяженности в 200-700 и даже 1000 мм. Однако в
отличие от ламинарного плазматрона при напылении сверхзву-
ковой горелкой частицы напыляемого материала удается ускорять
до скоростей в 500-1000 м/с. Это приводит к получению
покрытий, обладающих пористостью менее 1%, прочностью
сцепления с основой более 50-70 МПа.
Дополнительным важным преимуществом таких систем яв-
ляется возможность получения покрытий, свободных от оксидов
и других продуктов неконтролируемых реакций, протекающих
при традиционном напылении между частицами материала и
компонентами воздуха. Большой выигрыш дает использование
дополнительного разряда, зажигаемого между анодом плазматро-
на и основой (или между дополнительным электродом и основой).
’>то позволяет, не окисляя основы в условиях вакуума, повысить
температурный уровень процесса с целью термоактивации основы
и дополнительного вклада энергии в энтальпию газотермического
потока, а также провести очистку границ раздела между
частицами в покрытии при его формировании и границы раздела
возможным частичное или полное выполнение термообработки
изделия с покрытием в едином технологическом звене с опера-
цией напыления.
Использование технологических возможностей среды динами-
ческого вакуума позволяет одновременно с нанесением газотер-
мического покрытия проводить его термообработку оплавлением,
добиваясь при этом эффекта оплавления основы на глубину
подслоя до 0,5 мм, усиливая этим газотермическую адгезию
выполнять ВЧ-
плазменное напыление с околозвуковой скоростью движения
двухфазного газотермического потока, что повышает производи-
тельность ВЧ-плазмснной установки и образует газотермическое
покрытие многофункционального назначения.
Технология и аппаратура ВЧ-плазменного напыления получи-
ли распространение в наукоемких областях промышленного
производства.
Окончательная обработка ответственных поверхностей тур-
бинных изделий, угловая скорость вращения которых превышает
2000 об/мин, осуществляется технологическим циклом, значи-
тельную долю которого составляет ВЧ-плазменное напыление для
образования жаростойких и антиадгезионных газотермических
напыляемого материала из оксидов, обнаруживают повышенные
водностью, а также - свойства теплозащитного газотермического
покрытия. Поскольку процесс термического диспергирования
требует достаточно длительного энергетического воздействия на
такой напыляемый материал, то подача оксидного исходного
материала в зону газотермического напыления осуществляется
ванных из порошковых оксидов с использованием связующих
(пластификосторов). Типовой режим плазменного напыления
порошков оксидов приведен в табл. 5.2.
Таблица 5.1
Характеристика метода плазменного напыления по
коэффициенту использования материалов (КИМ)
С°'Х££Т° КИМ
А! 99 (крупный) 1.68 Лг 0,95 0,56
То же 2,12 Лг.Н; 1,54 073
То же 2,08 1,45 0.7
См 99.9 (мелкий) 3,72 Аг 2.30 0,62
То же 3,72 Аг. И, 2,76 0.74
См 99.3 (крупный) 5,0 Аг 3,22 0,64
То же 5,80 Лг.Н2 4.26 0.73
То же 4,67 ". 2.81 0,6
То же 4,90 Лг.Н, 3,08 0,63
Пцммстр ZrO VO М
Мощность, кВт 20 20 30
Расход плазмообразующего газа, м’/ч 1.7 1.7 1,95
Подача порошка, г/мин 10 30 -
Расход транспортирующего газа, м’/ч 0.16 0.17 0,45
Дистанция напыления, мм ИХ) 100 75
Размер частиц порошка, мкм 43-74 43-74 20-60
Диаметр сопла, мм 6
В таблице 5.3 приведены свойства некоторых газотермических
покрытий из порошковых оксидов. и
2) X - теплопроизводвтелыюсть прв температуре Т-1000’ К.
В таблице 5.4 приведены режимы плазменного
тугоплавких химических соединений (карбидов, нитр1
Таблица 5.4
Типовые характеристики режимов плазменного
напыления тугоплавких химических соединений
H.
ПС >19.5 Ar (0.7) Ar (0,14) 89 12-43
ПС 25-27 Аг (1,68-2.72) Ar (0,45) 51-76 5-30 6,35-7,94
ТаС >21 Аг (0,84) Ar (0.17) 76 12-43
ТаС 25-27 Ar (1.68-2,72) Ar (0,45) 51-76 37 6,35-7.94
Т-С 28 N/03) Sl-76 30-50
Zr€ 16 Аг (0.84) Ar (0,17) 52 12-43 -
ZrC 27 Ar (1.68) Ar (0.45) 76 147
wc 20-22 Ar (2) N,(1.2) 80-120 20-40 -
иге 28 Ar + H, (2.5+0.3) N/0.3) Sl-76 30-50
TIN 27 Ar (1.4) Ar (036) 76 37 7,94
li (2J.S) Ar (0.2) 60-100 ’O''20 6
В табл. 5.5 приведена характеристика адгезионной прочности
(изотермических покрытий из карбидного порошкового материа-
гш, полученных при различных технологических условиях плаз-
монного напыления.
Таблица 5.5
Адгезионная прочность газотермического покрытия,
полученного плазменным напылением порошкообразного
карбида металла
Пжшюсп noepwnu. %
TIC 51 89 67,5
То же 76 91 64,0
Т>С 51 91 64,7
То же 76 9) 71,7
ZrC 76 80 -
WC 80 70-248
То же 120 То же
Плазменные газотермические покрытия из керамического
материала используются в ответственных теплонапряженных
конструкциях машин и механизмов. Как жаростойкие и тепло-
защитные покрытия наиболее широко используются в рабочих
узлах крепления лопаток газовой турбины реактивных газотур-
бинных двигателей, что позволяет повышать температуры, раз-
виваемые в камере сгорания, что равнозначно увеличению
полезной мощности авиационного двигателя и его технический
ресурс. Особенно эффективны керамические материалы, исполь-
зуемые в термостойких покрытиях на рабочих поверхностях
трения поршневых штоков плунжерных насосов, гидравлических
заслонок, направляющих нефтедобывающего и нефтеперерабаты-
ления керамических покрытий их можно обрабатывать пропиты-
вающими средствами. Для этого можно применять, например,
эпоксидные смолы с добавлением соответствующих отвердите-
Керамические покрытия применяют для ликвидации трещин,
возникающих в результате внутренних напряжений в газовых
камерах. Кроме того, керамические покрытия применяются для
обеспечения надежной электроизоляции для индукторов токопро-
действию высоких температур (сопла сварочной аппаратуры).
Использование керамических покрытий для этой цели имеет
особое значение, так как они ранее выдерживают воздействие
высоких температур.
табл. 5.6 приведены
организации
режима плазменного напыления при использовании в качестве
’ плазматрона плазменного распылителя PLASMADYNE SG-l;nna3-
, мообразующий газ - аргон.
* Таблица 5.6.
Ь Режимы напыления газотермических покрытий ч |
плазменным распылителем. Рабочий газ - аргон, —|
плазматрон SG-1 (“Плазмадайн”) —J
nS.
АЦО, 450 30 37,5 14 44
AI 175 24 25 7 74
"А 400 35 55 14 44
в 750 29 30 13 44
В4С 725 29 30 18 63
Латунь 150 28 37,5 9 63
Бронза 300 28 32.5 9 63
Cr-Nl-B 300 30 37.5 8 44
Сг 500 30 37.5 9 63
CrBj 400 28 30 12 63
250 29 37.5 11 63
Со 400 29 30 to 63
Колмоной № 6 550 28 30 12 63
Се SOO 32 50 10 44
CdJ°3 500 28 30 10 63
Au 250 28 30 12 63
Fe 300 28 30 8 44
„S. ’zEr'
Mi<> 750 30 30 9 44
Mu 450 29 30 10 63
400 26 22.5 9 63
м«>м 400 30 30 8 44
Монель 450 29 30 10 44
Nl 650 29 30 14 63
Nl <*r (нихром) 300 29 30 13 63
.’'Тзм"оетов'1“ 400 30 30 10
. in al. 347 400 23 30 » S3
400 23 30 4 S3
550 29 30 10 63
TH* 750 26 25 8 44
Гнтановый сплав 500 26 30 8 44
TH* 725 27 25 8 63
11", 550 27 30 10 44
750 27 17,5 10 44
400 30 37.3 9 63
'UN 500 29 37.5 11 44
W 550 27 30 9 44
wc 525 25 30 7 63
wc ♦ co 550 25 30 10 63
wc 500 25 30 7 63
VA 550 28 30 10 63
200 32 55 9 63
ZrO 600 32 50 12 44
ZrB, 650 27 27.5 ]| 63
725 27 30 9 63
~ 3. Применение устройств фирмы “Метко” ,|
Обработка турбин с частотой вращения
более 2000 об/мин
Хорошо зарекомендовали себя на практике устройства фирмы
“Метко". Эти устройства обеспечивают увеличение скорости
полета частиц, следовательно, значительно увеличивают произ-
водительность процесса.
Наиболее важные элементы турбин защищаются от изнаши-
вания и теплового окисления посредством напыления плазмы в
процессе изготовления. При капитальном ремонте в ремонтных
цехах используют устройства плазменного напыления фирмы
“Метко". Это важно при обслуживании больших парков реак-
тивных самолетов. Целесообразно использовать покрытия не
мх двигателях,
только в самолетах, ио и в
высоких, так и при низких температурах абразивной среды.
Характерные требования к работе турбин:
- Износостойкость и окисленостойкость при низких (до 550°С)
и износостойкость и жаропрочность в диапазоне температур
550-850’С;
- Восстановление размеров;
Прокладки;
Проходные каналы;
- Воздушные уплотнения турбин и турбинные лопатки;
- Уплотнения в соплах низкого и высокого давления;
- Основания лопаток компрессора;
- Выработавшиеся лопасти вентилятора.
Типичные составы покрытий:
- “METKO-71NS, 71VF-NS, 72F и 37F” - карбид вольфрама,
кобальт;
- “METKO-81NS.81VF-NS”- карбид хрома-никель, хром;
- “МЕТКО-430 NS” - карбид хрома, никель, алюминий;
- “МЕТКО-45 С, 45 VF” - сплав хрома, никеля и вольфрама
- “МЕТКО-450 NS”-сплав никеля с алюминием;
лбдеяовый сплав
- “МЕТКО-66 F-NS”-i
L соединения типа “Трибаллой’’);
- “МЕТСО-68 F-NS-Г-высокохромистый молибденовый сплав
на основе кобальта (этот сплав содержит интерметаллические
соединения типа "Трибаллой");
- “МЕТСО-601 NS” - алюминий.
Для защиты от изнашивания деталей насосов, работающих с
взвесями, вызывающими коррозию, и жидкостями, содержащими
абразивные частицы, следует применять плазменные покрытия.
Хорошо это мероприятие зарекомендовало себя при применении
в следующих типах насосов:
- суспензионные насосы;
- технологические насосы;
- двухсекционные разделенные по горизонтали насосы;
- вертикальные турбонасосы;
- многосекционные разделенные по горизонтали насосы.
Обычно покрываемые части: валы и втулки, шейки валов,
Составы покрытий:
- “МЕТКО-136F и 136СР”-композиционные порошки хрома
и окиси кремния;
- “METKO-73F-NS-1 и 75F’ - композиционные порошки
- “МЕТКО-501” -самоплавящийся (флюсующийся) порошок
молибденового состава;
- “МЕТКО-442” - самоплавящийся (флюсующийся) нержа-
веющий композиционный порошок;
- “МЕТКО-445" - самоплавящийся флюсующийся порошок
алюминиевой бронзы;
- “МЕТКО-19Е”-самофлюсующийся порошок сплава никеля
В оборудовании для производства текстиля есть захваты-
вающие и направляющие поверхности.
волокно соприкасается с деталями, которые либо захватывают,
либо направляют, либо поддерживают натяжение или же изме-
няют его направление. Качество волокна зависит от того,
насколько • хорошо каждая из соприкасающихся поверхностей
выполняет свои функции. Эффективность работы оборудования
зависит от того, насколько хорошо соприкасающиеся поверхности
держат свои изначальные свойства.
Их
пиленных керамических покрытий.
Целесообразно применение напыленных i
дующих типов оборудования этого профиля:
- Обработка сырой пряжи;
- Волочильно-крутильные машины;
- Волочильно-тканевые машины;
- Крутильные и вращательные устройства.
Обычно покрываемые детали:
- Волочильные шпильки;
' тзм“
- Ведущие ролики;
- Нагревающиеся ролики подачи;
- Нагревающиеся пластинки крутильно-волочильных машин;
- Горячие втулки шпилек;
- Ролики предварительного натяжения;
- Ролики сепаратора;
- Диски натяжения;
- Винтовые направляющие;
- Кудельные стержни;
- Направляющие кудели;
- Тяговые ролики;
- Промывные клинья;
- Стержни, ролики и шпильки мокрой крутильной рамки.
Составы покрытий:
- ”МЕТКО-Ю1, IOISFii IO5SF~-окись алюминия;
- “METKO-130SF и 131SF" - композит окиси алюминия и
- “МЕТКО-136Е”-композит хрома и окиси кремния.
Эффективно применять эти покрытия для внешних устройств
компьютера.
Во внешних устройствах оборудования компьютера плазмеи-
ют детали от интенсивного абразивного
пли магнитной ленты.
К примеру, хромт
обработки менее чем 40000 карт; при плазменном покрытии
окисью хрома износ не наблюдается после обработки 1,5
миллиона карт.
Плазменное керамическое покрытие защищает головки при-
вода магнитной ленты от изнашивания под воздействием быстро
движущейся магнитной ленты.
Покрытия целесообразно применять для защиты труб котлов
с угольным топливом.
Разрушение, коррозия и тепловое окисление приводят к тому,
что стенки паро-водяных трубопроводов при использовании
котлов с угольным топливом тепловых электростанций утонча-
иптя, корродируют и текут. Замена трубопроводов дорого стоит
Труб: одноразовое плазменное напыление по методу фирмы
К примеру, наклонные трубы следует покрывать слоем состава
мМгтко-465" толщиной 0,06 мм. Котел после этого будет работать
Огл утечек более семи месяцев.
Покрытия составом “Метко-447” целесообразно применять
для осевых вентиляторов. Другие удачные применения: трубы
циклона, трубы перенагрева, трубы повторного нагрева, трубы
водяного коллектора, трубы нагрева и вентиляторы повторной
удлиняет сроки службы
I lu предприятиях целлюлозно-бумажной промышленности ма-
цу t мыс котлы, работающие по восстановительному циклу, экс-
плуатируются в особо агрессивных условиях, что приводит к
выходу труб из строя в результате сульфатирования, окисления
и разрушения. Одноразовое покрытие фирмы “Метко" обеспечи-
Ш1СТ долговременное и эффективное решение ранее неразреши-
Так, покрытия “Метко" обеспечивают многолетнюю работу
груб котлов без следов коррозии.
Покрытия, состоящие из окиси алюминия и циркония рабо-
тки одновременно как тепловые барьеры и противоэрозионныс
цилиндров, поршни, клапаны и вкладыши; в таких элементах
«У1»бореактивных двигателей, как камеры сгорания и форсунки.
Основа может быть 1
или металлической.
Армированные пластмассы находят все более широкое при-
менение в промышленности. Целесообразно их использование для
деталей, работающих при высоких температурах и при интен-
сивном изнашивании. Поэтому необходимо покрывать пластмас-
совые детали теплостойкими и износостойкими покрытиями с
использованием в качестве связки состава “Метко-625", яв-
ляющегося. композитом (антикоррозионная сталь - пластик).
коррозионностойкость, а также дает шероховатую поверхность и
поэтому выполняет роль хорошего подслоя для вновь наносимого
следующего покрытия. На поверхность состава “МЕТКО-625”
могут быть напылены почти все металлы, карбиды, керамики и
композиты фирмы “Метко" для придания пластмассовой основе
желаемой степени износостойкости при высокотемпературных
‘воздействиях.
Бракованные детали могут быть быстро доведены до должник
размеров посредством плазменного напыления покрытии, обла-
дающих окончательными свойствами исходного материала, и,
если нужно, удачно подходящих по цвету.
Для восстановления поврежденных поверхностей можно по-
добрать покрытия, эксплуатационные свойства которых превос-
ходят свойства исходного материала.
Плазменные покрытия фирмы “Метко" оказываются эконо-
мически эффективными как в обслуживании устройств и утили-
зации вышедших из строя деталей, так и в производстве.
Физические характеристики покрытий, нанесенных с no-
мощью MTSJK23?
порошков MTSPM821(W2C+12Co)
il MTS Хастеллой CJK 23 представлены в табл. 5.7.
Таблица 5.7
Физические характеристики покрытий
Фиухчекди* хармтеркстк»
Предел прочности 80-90 Н/мм2 (ЖОЛО 80 Н/мм2
Твердость покрытие HRC. 70-72 HRC. 46-48
Пористость покрытия 0,5% 0.5%
Карбид 85%
Эффективность напыления 75-80% 70-75%
Максимальная толщина 0,15-0.2 мм 0.3 мм
R, - 0.8 мкм R. - 0.4 мкм
Области применения покрытий следующие: лопаток компрессора, против точечной коррозии для лопаток ГТ низкого давления. Покрытия из карбидных слоев WS/Cr3C2 применяются против эрозии для рабочих и направляющих лопаток ГТ низкого и высокого давления, для ребра рабочей лопатки ГТ высокого давления, направляющие клапаны и шпиндели ГТ. Покрытия из карбидных слоев CuAI применяются пых слоев NiCrBSi применяются для рабочих и направляющих лопаток ГТ (газотурбинные), против высокотемпературной кор- розии при Т> 800“С. Покрытия из карбидных слоев CuNi применяются для лопаток ГТ против коррозионной усталости.
Пирометры напыления порошка днборида титана приведены
табл. 5.8, а диборида хрома - в табл. 5.9.
Таблица 5.8
Пирометры процесса плазменного напыления порошка
диборида титана
Я..,MU Гчимм 'X
От. опт, с«,.. «лг
40*100 *г ОДйГ АГ 450
40-1<х) ГН-3 2.73 0.6 н. 0.3 340 40 0.1
V» КХ) М8-35 Аг 2.4 Аг 400 80 0.86
м им> М8-35 Аг 3.6 Аг 0.84 400 80 0.63
Параметры процесса плазменного напыления порошка •!
диборида хрома
ИлашпобразуюкиМ га» “7 Г*
Ст.. сот
so »• 2.2 0.8 350 40
40-100 2.2 1.04 so
Аг 0.56 550 100
V 30-43 £ 1.01 40
гаруюишй газ Лг.расход 0.1 м’ ч '. КИМ-0.53.
Условия получения покрытий. Плазменное напыление произ-
зодится горелками ГН-5 и М8-35 260, 5О-Г‘Плазмадайн”.
Перед напылением ZrB2 на подложку напыляют подслой из
никелевых сплавов NiCr (80:20) или N1A1 (81:19). который увели-
• 197
чивает прочность сцепления боридных покрытий с подложкой из
стали 12Х18Н10Т в 3 раза. Параметры процесса напыления
диборида циркония представлены в табл. 5.10, борида вольфрама
(и его химсостав) в табл. 5.11, а карбида титана - в табл. 5.12.
Таблица 5.10
', Параметры процесса плазменного напыления порошка
<- диборида циркония
г’““ ™г, тг
Состав ТТ ы V
so М8-27 0.32 Аг ♦70
SO-63 М8-27 1.01 0.32 Аг 500
SO-IOO ГН-S 2.73 0,6 ”, 0.3 360 70 0.S6
50-100 ГН-5 3.05 Лг 0.3 360 80
«3-100 m-s 2,73 0.6 0.3 0.8
63-100 ГН-5 3.05 Лг оз 0.4
50-100 М8-35 3.05 Лг 0,9 400 80 1.4
63-100 М8-35 3.33 Аг 380 80 0.34
Таблица 5.11
Параметры процесса плазменного напыления порошка
борида вольфрама и химический состав покрытий
Сахерхалае в DOCpWHOt. %
Состав СПГм - *' В ВО
03 ».♦ 1.57
N од 9.84 1.85
«тчлчн О .» I Таблица 5.12
Параметры процесса плазменного напыления порошка
карбида титана
1орслы пг вг Смя. ДММ
С«т.» С«о.
ПН $ 2,8 0.6 \ 0.3 3S0 to 0,11
ГН-5 Аг 3,05 Аг 0,3 380 85 0,19
П1-35 Аг 3,05 Аг 0.9 390 70 0.15
ГН-5 Аг 3.05 Аг 0,3 380 90 0,1
ГН-35 Аг 4.1-5.5 Аг 092-0,98 400 80-95.0 0,23-1.56
(15-30,5)10*’ м/с, расход порошка 0,87 кгч1. Форма частиц порошка сфериче- Условия получения покрытий. Порошок Сг3С2 напыляют плазменным методом горелками УМП-5-68 и SG-Г'Плазмадайн" и детонационным методом. Материал основы - сталь. Поверх- ность основы подвергали струйно-абразивной обработке. Перед напылением Сг,С2 на основу наносят подслой газотермического покрытия из молибдена NiCr. Параметры процесса газотермиче- ского напыления порошка Сг3Сг (табл. 5.13): Таблица 5.13 Параметры процесса газотермического напыления Cr3Cj
г<’““ 1 «г
С”™ <этг
Плммеачы» УМП-5-68 “Плазмадайи" Аг’ i.7 Аг о.У ^°°
Плазменный Аг 2,4 Аг
Детонационный с<х N,
1 - дистанция напыления 120 мм. расход порошка 2.4 кг. ч'1 2 - температуре основы 150* С 3 - рабочие газы
7»»И
1.6. Особенности плазменных
газотермических покрытий
Несмотря на
стороны процесса плаз-
нологни нанесения этих покрытий. Прежде всего, это пористость
газотермических покрытий и их газонасыщенность. В.В.Кудинов
предлагает два способа регулирования свойств покрытия -
термический и химический, которые основаны на повышении
энтальпии части и температуры основы, изменении свойств
основной поверхности напыляемого объекта, также увеличении
отнести пропитку легкоплавкими металлами напыляемых мате-
риалов, а также спекание их в вакууме или восстановительной
атмосфере. Тугоплавкие металлы можно пропитывать медью и
спекать в вакууме при температуре > 2000 К. Известен метод
устранения пористости в покрытии из дисилицида молибдена,
частицы которого предварительно борированы, и когда поры
закрываются при нагреве покрытия на воздухе до температуры
130°С в результате образования борного ангидрида и окиси
кремния. Нужно уплотнять плазменные покрытия методом про-
мических соединений, которые при нагревании образуют газооб-
разные продукты и твердое вещество-заполнитель с требуемыми
герметизирующими свойствами. Растворы AINO3,CfOh С12Н22Ои
дают при разложении соответственно А12О3. Сг2О3, углерод и
газообразные продукты, что в конечном итоге приводит к
значительному уменьшению размера пор и существенному сни-
жению открытой пористости, при этом газопроницаемость сни-
жается соответственно в 700-1000; 1000-5000 и 10000-50000 раз.
Рекомендуется три метода понижения газопроницаемости
плазменных покрытий.
пропитка органическим составом или стеклом, которые затем
полимеризуются или оплавляются.
увеличить время пребывания напыляемого материала в пласти-
ческом состоянии: компоненты, реагирующие между собой в
процессе напыления с образованием более тугоплавкого соеди-
нения, сопровождающегося экзотермической реакцией; стеклооб-
разные компоненты, обладающие характерным интервалом пла-
стичности при остывании.
3. Легирование легкоокисляющихся металлов, которые при
1миглении начинают вступать в химическую реакцию с леги-
м лее и вс газотермического покрытия.
11риборы контроля свойств напыленных покрытий. Из прибо-
вегю, аНгезиометр, разработанный в НИИПМ при МВТУ им.
Киумапа. Образец с напыленным покрытием устанавливается в
планшайбе и помещается в нагрузочное приспособление,
имеющее устройство изменения величины нагрузки на образец
ihio термического покрытия, регулируемое перемещением грузика
по пинтовому рычагу нагрузки. Усилие разрушения определяется
путем расчета соотношения плеч от оси винта и центра груза
до образца, а также массы груза.
Второй важнейшей характеристикой напыленных покрытий
пишется их толщина. Для этой цели в НИИ интроскопии
|жа|н|ботаны и производятся заводами отрасли различные вихре-
Дли цельнонапыленных оболочковых изделий могут использо-
М1КЯ вихретоковые толщиномеры ВТ-10Э применительно к
основному материалу из малоуглеродистой стали толщиной от
700 до 2000 мкм, ВТ-70Н для неферромагаитных металлов -
соответственно толщиной 1000-3000 и 500-3500 мкм; ультразву-
толщиномеры УТ-31 МЦ и УТ-ЗОПЦ - для металла,
Мрлмики, пластмассы, применимые при измерении толщин от
200 до 300000 и от 250 до 100000 мкм, соответственно. ,..
мцп 1.7. Рекомендации по организации участка €
•так плазменного напыления. w
Ориентировочные рекомендации по созданию участка плаз-
менного напыления даны из опыта организации и эксплуатации
установок плазменного напыления.
1. Назначение. Участок предназначен для плазменного напы-
гих материалов с целью получения высокопрочных, антикорро-
зийных, износостойких, теплозащитных и др. видов покрытий на
различных конструкционных материалах, восстановления изно-
шенных деталей, изготовления оболочковых изделий, а также с
целью изучения свойств полученных деталей.
2.1. Установка для напыления на воздухе.
2.2. Установка для напыления в контролируемой атмосфере.
2.3. Генератор с двумя источниками питания.
2.4. Помещение для хранения баллонов сжатого газа высокого
2.5. Помещение для контроля свойств получе
3. Требование к оборудованию и помещениям.
сичных или активноокисляющихся материалов в контролируемой
атмосфере, должны удовлетворять требованиям общих санитар-
ных норм, предъявляемых к производственным помещениям
согласно “Санитарным нормам проектирования промышленных
предприятий CH-245-7I”.
3.2. Установка напыления на воздухе должна содержать:
1) бокс для напыления, оборудованный системой проточно-
вытяжной вентиляции;
2) пульт управления процессами напыления;
3) камеру для абразивно-струйной обработки;
4) слесарный верстак с набором соответствующих инструмен-
тов для проведения подготовительных и ремонтно-профилакти-
ческих работ;
5) шкаф для хранения порошковых материалов;
6) машину ситового анализа типа 029;
7) лабораторный стол (стол оператора).
3.3. Планировка помещения должна обеспечивать свободный
доступ к оборудованию и магистралям, размешенным в боксе для
напыления в пульте управления.
3.4 Площадь участка для напыления на воздухе нс менее 200 м2.
3.5. Планировка и оснащение участка для напыления актив-
ноокисляющихся и токсичных материалов должна производиться
с учетом требования по обеспечению безопасных условий труда
при работе с соответствующими материалами.
I) охлаждаемую камеру для напыления в контролируемой
|»йггн||ми), системой начального вакуумирования и пультом
дн< тппционного управления процессом напыления;
2) участок для проведения работ по ремонту технологического
оборудования, его очистка, профилактический ремонт, оснащен-
ный «ютветствующим набором инструментов и приспособлений;
3) пескоструйную камеру;
4) стол оператора;
5) шкаф для хранения вспомогательных материалов;
6) машину ситового анализа.
3.7. Система вентиляции на участке для напыления актнвно-
пкнсляющихся и токсичных материалов должна быть снабжена
устройствами для очистки и фильтрования отсасываемого газа.
I) магистрали подвода и отвода воды к плазменным установ-
кам и камере, обеспечивающие расход воды до 200 г/с;
2) не менее двух газовых магистралей, обеспечивающих
подачу рабочего и транспортирующего газа к пультам управления
3) магистрали сжатого воздуха с подводкой к боксу, камере
для напыления в защитной атмосфере и пескоструйным камерам;
4) электропроводку:
- постоянного тока на участке “генераторная-распылители”
1Ш мощность до 50 кВт;
- 3-х фазного тока 380 В, до 60 кВт;
- однофазного тока 220 В, до 6 кВт.
3.10. Площадь помещения для размещения двух источников
питания типа ИПН-160/600 обоих участков 14-16 м!.
3.11. Помещение должно быть снабжено системой вытяжной
вентиляции производительностью (подача) 350 м3/час.
3.12. Оба источника питания плазменных установок должны
быть снабжены магистралями подвода и отвода охлаждающей
воды с расходом 60 г/с.
3.13. Каждый источник питания должен иметь злектропро-
- 3-х фазного тока 380 В на мощность др 100 кВт;
- постоянного тока мощностью до 100 кВт к плазменному
распылителю.
ется через контактор типа КТВ-35.
3.15. Общая площадь помещения для хранения баллонов
(23/30 баллонов)
^Функциональная схема автоматизированной системы ГТН
должна составить 8-10 м2. Допускается использование металли-
ческого шкафа указанной площади.
3.16. Помещение должно обеспечивать возможность его
естественной вентиляции, иметь достаточное освещение.
3.17. Газовые магистрали обоих участков должны начинаться
из баллонной и обеспечивать независимую подачу одновременно
газов двух типов (например, азота и аргона).
3.18. Подключение баллонов с сжатым газом к магистралям
должно осуществляться через газовые редукторы.
3.19. Помещение для обработки экспериментальных резуль-
татов и контроля свойств полу*
10-15
м2 должно иметь хорошую звукоизоляцию от участков напыления
и соответствовать требованиям общих санитарных норм к
3.20. Оборудование участка контроля свойств и обработки
результатов может меняться в зависимости от типа производимых
деталей, но минимально участок должен содержать:
>— весы аналитические типа АДВ-200; t
- прибор для адгезионных испытаний;
- настольную вычислительную машину типа “Электроника-
CW;
- сушильный шкаф ВШ-035.
Технологический процесс плазменного напыления должен
троиться в соответствии с прилагаемыми схемами. Далее
приходится конкретный пример техпроцесса изготовления обо-
лочковых деталей:
Пример работы распылителя М8-27. Распылителем М8-27
необходимо произвести напыление порошка Нихрома. Требуется
оп|юделить параметры работы установки и выходные характери-
в качестве плазмообразующего
г/с, находим значение КПД
пип аргон при расходе
случае должно составить величину 29,8 В, причем распылитель
на любой из ступеней источника ИПН-160/600 будет работать
устойчиво. Учитывая это обстоятельство выбираем в качестве
диапазона вторую ступень. Тогда, чтобы получить необходимые
:сса напыления приведен в
Таблица 7.1
Пример технологического процесса напыления.
Применяемые материалы: Порошки SiC. Ni3AI, АЦО,
N, Тсхяи'ксик операции Оборудожшяе
01 Галтовка основного покрываемого металла Г оы. шй
02
03 Обезвреживание в органических растворах смоченной в этиловом спирте и отжатой Сушить на воздухе 15-20 мин
Визуальный
поверхности, согласно техническим условиям ™”"уп“-з
вания для газотермичсс
в разработке оборудо-
вляется создание комп-
лексов, включающих наряду с основным оборудованием для
осуществления операции напыления установки для обезжирива-
ния и галтовки деталей перед напылением, а также оборудование
для последующей термической и механической обработки изделий
с напыленным покрытием. Такой комплекс плазменного напыле-
ния включает:
1) моечную машину;
2) установку для галтовки;
3) универсальную камеру для
5) шкаф контроля и управления;
6) источники питания;
7) порошковые питатели;
8) систему охлаждения замкнутого типа с фреоновым холо-
9) систему вентиляции и пылеулавливателя;
10) оборудование для механической обработки напыленных
Современной тенденцией в области i
। оборудо!
для плазменного напыления, обеспечивающего расширение тех-
нологических возможностей процесса, стабильность качества
покрытий и улучшение культуры производства, является комп-
лексная автоматизация операций за счет применения промыш-
ленных роботов и мини-ЭВМ.
В связи с автоматизацией процессов и специализацией
поточных линий актуально применение такого типа насадок как
ко:>ффициент сосредоточе
температурной области, >
бождения покрытий от загрязнения продуктами неконтролируе-
мых реакций с газами воздуха.
Техника газотермического наш
применения в промышленности вы<
ет создания и
изотермического напыления не то.
массовое производство деталей с по»
качества, но и открывает новые техн
ях процессов па базе
э позволяет наладить
Напыление чистых и плотных слоев из металлов и сплавов, а
также материалов, склонных к разложению, окислению и другим
реакциям, возможно только при использовании камер с защитной
атмосферой. Широкое применение этой технологии возможно
Применяется процесс i
катизацин процесса,
при подаче порош-
ков различных материалов одновременно из разных автономно
управляемых дозаторов. Такая технология позволяет конструи-
ровать материал покрытия в широких пределах, если скорости
подачи материалов в струю плазмы регулируются с высокой
стабильностью микропроцессором по заранее заданной програм-
ной сложности, построенных по модульному принципу: с тремя,
четырьмя, шестью и семью степенями свободы. Система с
дикулярных осей. Манипулятор с шестью степенями свободы
обеспечивает два направления вращения столика и четыре
направления для плазматрона - линейные перемещения по трем
взаимоперпендикулярным осям и вращение вокруг вертикальной
оси. Наконец, самый сложный манипулятор с семью степенями
свободы предусматривает дополнительное перемещение столика
для деталей на ленточном транспортере, способным совершать
линейное перемещение по одной оси, удаляя и доставляя детали
в зону напыления. Разработаны и применяются следующие
tore поточного произ-
ставдартныс системы для автомг
водства деталей с покрытиями.
1. Производственная установка VPS с двумя шлюзами
(фирмы “Метко”, США)
Достоинства вакуумного плазменного процесса напыления:
- В ходе напыления отсутствуют реакции газ/металл, таким
образом, нет
нет обезуглерожива-
ния, нет окислив в покрытии, нет распыляемой структуры.
- Хорошее сцепление между покрытием и основанием.
- Высокий темп напылении.
- Высокое качество поверхности напыленного компонента.
Достоинства конструкции системы вакуумно-плазменного про-
цесса напыления.
- Использование управляемого микропроцессором оборудова-
ния плазменного распыления типа EGV 88 (VPS) фирмы “Перкин-
Элмер-Метко".
- Система управления ЧПУ для всех осей координат.
мощью программируемого логического контроллера (ИС).
- Оптимальная концепция системы для работы в вакууме:
1. Среда, предназначенная для ускорения потока газов.
2. Размещение всех приводов н измерительных приборов за
пределами рабочей камеры.
3. Отсутствие встроенных устройств с большой площадью
поверхности, а также отсутствие трудно изымаемых соединений
и полостей.
4. Легкая и быстрая очистка камеры.
5. Интенсивность просачива!шя лучше чем 103 миллиард.
- Непрерывное производство с помощью использования
переходных камер.
Автоматизированная ВППР
1. Рабочий орган - манипулятор № 1. А
2. Переходная камера Ml. lk.
3. Сдвигающийся затвор Ml. .
4. Защитный экран от тепла и пыли Ne I.
5. Форсунка-манипулятор. - in
6. Стойка управления. и
8, Рабочая камера. '»
9. Ливия создания вакуума.
10. Защитный экран от тепла и пыли № 2. 1П
11. Сдвигающийся затвор №2. *
12. Переходная камера Йе 2.
13. Рабочий орган - манипулятор №2.
14. Противопыльный фильтр (грубой очистки).
15. Противопыльный фильтр (тонкой очистки).
16. Откачиваемая рабочая камера.
Управляемая микропроцессором установка плазменного рас-
пыления EGV88.
Фирма “Перкин-Элмер-Метко" является ведущей в мире а
области технологии газотермических покоытий г п»<.п»к——*
иного распыле-
II современных системах управления применяется новейшая
«кинология микропроцессорного управления.
Система EGV 88 управляет всеми параметрами, которые
iec качество и постоянство изделия с
Гштсмиые параметры плазмы и потока газов-носителей,
жнгояиного тока, темпа подачи порошка, давления рабочей
K'liimiiiitioro пульта следом за сообщениями подсказки на экране
миишся, на котором также отображаются введенные данные.
Пнpnметры обычно берутся из официально опубликованных
глблиц, однако, если вводятся несанкционированные данные
(нм рсдством распечатки ошибки, дисплей выдает на экран
цветение предупреждения.
Плазменная горелка зажигается и доводится до рабочих
1трпметров, следуя заводской оптимизированной программе стар-
IM. которая гарантирует быстрое достижение заданного уровня и
млксимальную продолжительность эксплуатации сопла и элект-
По достижении заданного уровня в автоматическую аппара-
начала".
ТУРУ управления
Дисплей отображает запрограммированные параметры вместе
Г относящимися к данному моменту значениями. Они находятся
иод постоянным контролем и корректируются в пределах ± 2%
<ir ла да иных значений.
Исли система энергоснабжения варьирует более чем на ±5%
«и т|х.*бусмых значений, система выводит на дисплей “YELLOW
Al .HR Т* (сигнал тревоги желтого цвета) с произвольным
акустическим сигналом. Если в течение 3 минут коррекция не
вмнолняется или если колебание таково, что система не может
больше поддерживать параметры распыления, система отобража-
ет на дисплее “RED ALARM” (сигнал тревоги красного цвета) и
выключается автоматически. Микропроцессорная система управ-
ления отслеживает более 30 системных параметров, включая
тикис, которые оказывают влияние на безопасность оборудования
(то есть, температуру выпрямителя). Согласно параметру чрез-
мерное отклонение вызывает сигнал тревоги желтого или крас-
ного цвета с автоматическим отключением аппаратуры.
Обычный бумажный принтер обеспечивает полную регистра-
цию режима работы по распылению с целью обеспечения
обычные изменения параметров и все сигналы тревоги регистри-
руются с указанием времени события. Принтер может быть
С помощью клавишного пульта в режиме “TEST" ("ПРОВЕР-
КА”) все системные параметры можно проверить или отрегули-
ровать по отдельности без зажигания форсунки.
Система EGV 88 включает в себя диагностическое устройство
для использования обслуживающим персоналом. Ввод шестизнач-
ного цифрового кода разблокирует все цифровые и аналоговые
входные и выходные сигналы для отображения на экране дисплея.
Источник возможного отказа может быть быстро локализовав.
Система управления ЧПУ для всех осей координат.
С учетом применения имеются в эксплуатационной готовности
разные системы управления. Например, трехкоординатная систе-
ма управления годится для обеспечения простых движений в
научно-исследовательском комплексе, в то время как производ-
ственное оборудование с двумя переходными камерами обычно
снабжается 7-координатной системой управления. Независимо от
числа координат системы управления, все они одновременно
управляются контроллером ЧПУ. Система управления с ЧПУ
связана с программируемым логическим контроллером (PLC).
Чтобы нанести покрытие на турбинные лопатки, требуется
по меньшей мере 5 осей координат.
Рабочий орган - манипулятор:
3 - поворотная ось симметрии А(В).
* - ось линейного перемещения X(Y).
’ Форсунка-манипулятор:
линейного перемещения Z (расстояние
2. Автоматизированное управление процессором посредством
программируемого логического контроллера
Межсоединения (Интерфейс) между программируемыми ло-
гическим контроллером и отдельными системами.
Крупная
установка с двумя переходными
камерами имеет интерфейс с программируемым контроллером,
включающим приблизительно 300 вводов и выводов. Каждая
отдельная система снабжена базовым эксплуатационным програм-
мным обеспечением как неотъемлемая часть оборудования.
Программное обеспечение, требуемое для покрытия отдельных
компонентов, вводится в контроллер ЧПУ (программа движений
№1 мгм осям координат вместе с определенными командами для
ЭВМ, Тип EG 88 Фирма
И1|р|»»ин-Элмер-Метко”:
I Основная секция, Тип EG88-B.
1 Распределительный блок. Тип EG88-D.
. 1 Блок управления с ЭВМ, Тип EG88-C.
4 Блок подачи порошка, Тип EG88-P.
5 Высокоэффективный выпрямитель, Тип 2 OG.
( », 7, 8 - Плазменные распылители, Типы 9МВ. ЮМВ, 11 МВ.
Основная секция, Тип EG 88-В. Основная секция представляет
•обой модуль шириной 500 мм, который на встроенных роликах
Инжст быть передвинут в оптимальное положение в акустически
ро>1Н|>оваином помещении для напыления покрытия. В секции
ВМсггся дозирующая аппаратура для электропитания, газов и
|*п и>п> воздуха.
Все питающие магистрали подведены к секции с задней
9То|ю11ы. На передней панели размещены соединители для
аябслей и шлангов, идущих к плазменному распылителю, пульту
упрпиления, распределительному блоку, бункерам для порошка
и к ножному переключателю, управляемому оператором.
Расход газов и сжатого воздуха точно определяется элект-
рониыми массовыми расходомерами, которые регулируют коли-
чество плазмы и газа-носителя с линейностью ±1% от общего
расхода. Точность установки в исходное положение составляет
12%.
Модуль управления расходом газа герметически изолирован
нт электронного отсека и проветривается с помощью вентилятора.
лывающие на состояние процесса, аварийный выключатель и
счетчики общей наработки в часах.
Система подачи порошка полностью размещена в основной
Бункера для подачи порошка могут размещаться в наиболее
удобном положении вблизи плазменного распылителя и соединя-
ются с основной секцией с помощью комплекта шлангов,
Распределительный блок, тип EG88-D. Распределительный блок
также размещается в помещении для нанесения покрытий и через
свою заднюю панель получает электропитание и охлаждающую
иоду. От задней панели ток и вода проходят к передней панели,
откуда этот ток по кабелям, охлаждаемым этой водой, идет к
плазменному распылителю.
Переключатель дает возможность выбора правильного расхода
охлаждающей воды, в соответствии с которым устанавливается
режим работы плазменного распылителя.
Высококачественная система воспламенения тщательно экра-
нирована в распределительном блоке, чтобы предотвратить
помехи в работе близлежащего электронного оборудования.
Блок управления с ЭВМ, тип EG88-C. Блок управления с ЭВМ
размещаться в этом помещении, поскольку он герметизирован от
проникновения пыли. Кабелем длиной 5 м блок подсоединяется
к основной секции и имеет микропроцессор, визуальный дисплей,
кнопочный пульт, печатающее устройство, а также кнопки
Запоминающее устройство с произвольным порядком выборки
в микроЭВМ имеет емкость для хранения 255 компонентов
данных о нанесении покрытий. Каждый такой комплект состоит
из наборов параметров напыления (например, для грунтовки и
Никель-кадмиевый аккумулятор предохраняет запас данных,
находящихся в запоминающем устройстве, на случай перебоев в
электропитании. Замок с ключом предохраняет данные от
несанкционированного доступа к ним.
вводятся через кнопочный пульт в соответствии со справочными
данными на дисплее, который демонстирует также и вводимые
ио если из-за ошибки при нажатии кнопок вводятся неправильные
данные, на визуальном дисплее появляется предупреждение.
Плазменный распылитель включается и выходит на рабочие
параметры в соответствии с оптимизированной заводом-изгото-
вителем программой запуска, которая обеспечивает быстрое
достижение заданного значения и максимальную долговечность
форсунки и электрода. По достижении заданного значения на
механизм механического управления (если оно подключено)
подается сигнал “Можно начинать”.
Печатающее устройство, использующее обычную бумагу, даст
полную регистрацию процесса напыления в целях обеспечения
его качества. Воспламенение распылителя, исходные параметры,
нормальные изменения параметров, все предупреждения и тре-
воги регистрируются с отметкой о времени происходящего. Если
печатающее устройство не требуется, оно может быть выключено.
(' помощью кнопочного пульта, установленного на режим
"Испытание", все параметры системы могут быть проверены
«/или индивидуально отрегулированы без воспламенения распы-
< истсма EG 88 средства диагностики, используемые обслужи-
вающим персоналом. Ввод шестизначного года дает возможность
Покадить на визуальном дисплее все цифровые и аналоговые
входные данные сигналы. Источник возможного нарушения
работы может быть быстро установлен.
Блок подачи порошка, тип EG 88-Р. Два или четыре индиви-
дуальных запатентованных бункера для порошка могут быть
VI ншовлены в наиболее удобном положении вблизи плазменного
|нп аылителя. Бункера могут быть смонтированы на манипуляторе
плазменного распылителя или на дополнительном четырехбун-
керпом стенде. Штуцер каждого комплекта шлангов имеет свой
механический код. Поэтому к каждому комплекту шлангов может
быть подсоединен только тот бункер, который имеет соответст-
вующий кодовый номер (от 1 до 4).
Подача порошка осуществляется без электромотора. Нет
какого-либо контакта движущихся частей с порошком.
4 буи
Когда к
последовательное использование друг за другом в ходе одного
цикла нанесения покрытий. Это дает возможность получения
<пнистой структуры покрытия с использованием до четырех
различных порошков без перерыва для замены бункеров. При
альтернативных вариантах порошок может подаваться одновре-
менно их двух бункеров, чтобы вдвое повысить нормальную
максимальную скорость напыления или же используется пере-
ходный режим, при котором получаются покрытия, имеющие до
48 слоев, отличающихся друг от друга упрочненным изменением
Бункера легко чистятся и герметически закрыты, когда они
ПС подсоединены к системе. Порошки, которые применяются
чисто, могут, таким образом, удобно храниться в дополнительных
бункерах. Для этой цели может быть приспособлена навешива-
емая на стену полка.
Основная секция регулирует расход газа-носителя. Все по-
рошки МЕТСО подаются с высокой максимальной скоростью при
отклонении не более 2%.
Скорость подачи порошка(кг/ч):
металлы
керамика
карбиды
0,2-6,8
0,5-9,0
0,2-2,3
Высокоэффективный выпрямитель, тип 2 OG. Этот выпрями-
тель, разработанный специально для системы плазменного рас-
пыления, благодаря своему управлению, выполненному полно-
стью на тиристорах, является в настоящее время наиболее
экономичным и стабильным источником постоянного тока. На-
личие стабилизации с замкнутым контуром обеспечивает неиз-
меняющийся постоянный ток даже при различной длине кабеля
и при колебаниях в сети электропитания.
и прочного блока охлаждается с помощью трех бесшумных
вентиляторов и изолирован от цепей управления. Кабели посто-
янного тока снабжены быстроразъемными соединениями.
Блок электропитания имеет общий выключатель, но регули-
рование всех его функций производится через дистанционное
управление.
и защита от перегрузки контролируются блоком управления с
ЭВМ.
Наличие нескольких защитных устройств обеспечивает иск-
грукции, ае требующей техниче-
СКОРО обслуживания. Такими защитными устройствами являются
электронная защита от перегрузок тиристорного моста, термо-
защита от перегрузок трансформатора, тщательная изоляция
цепей управления от
наличие электрон-
ють 107 кВт
Потенциал при разомкнутой
Макс, ток при 100% рабочем
цикле................160 А
Коэффициент мощности
при 1000 А...........0,82
100 В
Макс, ток при 100% рабочем
Макс, выходная
1100 А
КПД
88 кВт
• 95%
Универсальный высокоэффективный плазматрон, тип 9МВ.
Плазменный расширитель 9МВ содержит много усовершенство-
ваний и является падежным, универсальным инструментом для
работы с руки или с установкой на манипуляторе. Стандартный
корпус распылителя, имеющий рукоятку и кабельные соедини-
тели для обеспечения оптимальной устойчивости при работе с
руки, может быть быстро заменен на корпус, закрепляемый на
манипуляторе и имеющий кабельные соединители, удобно рас-
положенные с задней стороны.
Усовершенствованная система охлаждения имеет новую кон-‘
струкцию,
имущества:
- большая долговечность форсунки и электрода, ' * ••
- более высокая эффективность напыления,
- минимальное техническое обслуживание, уменьшенное
в|»гмм простоя,
более легкая работа по напылению покрытий.
В форсунке новой конструкции имеется тонкий кольцеобраз-
ный канал (“ТАР"), который обеспечивает более эффективную
11с|)сдачу тепла охлаждающей воде.
Головка распылителя, имеющая каналы для прохода воды, и
держатель электрода усовершенствована таким образом, что
колодная вода направляется преимущественно в те зоны, которые
Новый передний изолятор из
1»паномерный расход газа высокой энергии.
высокое выделение тепла на выходе, что повышает скорость
напыления при сохранении высокого качества покрытия. Со-
вращение времени напыления понижает стоимость работ и
Распылитель 9МВ прост в обращении, его изнашивающиеся
части легко и быстро заменяются.
Выключатели, связанные с подачей порошка и с аварийным
«включением системы, смонтированы в рукоятке.
Кабельные соединители защищены от попадания пыли и не
могут иметь ошибочного подключения.
Высокопроизводительный плазматрон, тип 10МВ. Прочный,
высокоэффективный, устанавливаемый на манипуляторе распы-
литель 10МВ был разработан специально для плазменного
напыления с непрерывным уровнем мощности до 80 кВт.
В этом распылителе применена та же техника охлаждения,
что и в распылителе 9МВ, но здесь имеются отдельные цепи
водяного охлаждения для форсунки и электрода, чем гарантиру-
ется оптимальное охлаждение каждой части.
Высо
форсунки с “ТАР”, термостойкое рас-
нределительное кольцо, меньшее количество поверхностей, отде-
ляющих газ от воды, и более высокая скорость напыления
удовлетворяют всем требованиям, предъявляемым к непрерывно-
му автоматическому напылению.
Для внутреш<их диаметров и недоступных зон фирма “Пер-
кин-Элмер-Метко" предлагает выбор специальных плазменных
распылителей, которые имеют различную длину, различные углы
распыления и минимальные диета
ЙТЭОН<НХЭТЮ,
Многоцелевой плазматрон, тип 11 МВ. Распылитель 11МВ
является многоцелевым плазматроном, устанавливаемым на ма-
нипуляторе и имеющим следу»
ктеристики:
30 см и 60 см,
- угол напыления равен 90° при оптимальном качестве
покрытия,
- малая дистанция напыления (13 мм), позволяющая наносить
покрытия при внутреннем диаметре от 45 мм,
- новые форсунка и система нагнетания порошка дают
высокую концентрацию струи напыления и узкий, хорошо
различимый слой напыления (7 мм),
- специальная техника охлаждения обеспечивает возможность
работы при уровне мощности до 30 кВт и исключительное
напыляться с большой скоростью,
- единая система “форсунка-электрод" и прекрасная изоляция
всех внутренних компонентов гарантирует безопасную работу,
простоту технического обслуживания и сведение до минимума
Вакуумная система
Система откачки
предъявляемым к чистоте атмосферы в рабочей камере, вакуум-
но-плазменные системы напыления укомплектовываются несколь-
кими насосами.
Главный пост откачки рабочей камеры
Форвакуумный насос чистой откачки, откачивающий камеру
до 0,2 мбар за 4 минуты при работе вместе с крыльчатым насосом.
Производительность: 2000 м3/ч. Рабочий диапазон давлений: от
10*3 до 50 мбар.
Крыльчатый ротационный насос для непрерывной откачки
плазменных газов в процессе напыления. Производительность:
Насос для передаточных камер
передаточных камер до 0,2 мбар за менее чем одну минуту.
Производительность: 100 м3/ч.
Насос для системы герметизации
Двухступенчатый ротационный крыльчатый насос. Произво-
Насос для подачи порошка (встроен в систему подачи)
Двухступенчатый ротационный крыльчатый насос. Произво-
дительность: 3.2 м3/ч. Остаточное давление: 2.510* мбар.
Регулировка давления в рабочей камере осуществляется при
помощи непрерывно перестраиваемого регулировочного клапана
вакуумном трубопроводе.
Модульная структура системы позволяет найти оптимальное
решение для каждого конкретного заказчика. Основное оборудо-
Иссл
шине можно наращивать no сту:
понка может быть доведена до технологической системы при
подсоединении скользящих ворот, щита/штатива пыле- и тепло-
уловителя и передаточной камеры между рабочей камерой и
Система №
7 степеней свободы: 4JR
- манипулятор обрабатываемой детали 1 : 2 оси;
- манипулятор обрабатываемой детали 2 : 2 оси; цде
- манипулятор пушки : 3 оси;
- передаточные камеры
400x700 мм со скользящими воротами;
- номинальный диаметр 350 мм (беспрепятственное прохож-
дение) к рабочей камере;
- рабочая камера
диаметр 1500 мм;
глубина 1200 мм;
5 степеней свободы:
- манипулятор обрабатываемой детали: 2 оси; .оП
- манипулятор пушки : 3 оси;
- передаточная камера . хи
400x700 мм со скользящими воротами;
- номинальный диаметр 350 мм (беспрепятственное прохож-
дение) к рабочей камере;
- рабочая камера
диаметр 1500 мм;
глубина 1200 мм;
Система № 3. Лабораторная исследовательская система (с
малым количеством компонентов).
5 степеней свободы:
- манипулятор обрабатываемой детали: 2 оси;
- манипулятор пушки : 3 оси;
- рабочая камера
диаметр 1500 мм;
глубина 1200 мм;
.BXUlOqoil
Лд-i'.O жянмипаа
аэтаиияоонпп Непрерывная обработка
Технологическая система с двумя промежуточными шлюзами
(система № 1) позволяет осуществлять непрерывную обработку
с высокопроизводительным выходом напыленных деталей.
В то время, как в блоке 1 происходит предварительный нагрев
и напыление, в блоке 2 можно производить подготовку к
напылению. Непроизводительное время, таким образом, сводится
к минимуму.
Передаточные камеры отделены от рабочей камеры посред-
ством специальных скользящих ворот.
Шлюзовая заслонка (затвор):
- проходное отверстие в случае беспрепятственного прохож-
дения 350 мм;
„ - электропиевматичесхий привод.
П Двухбункерный блок подачи порошка типа EG-88-P-DUAL
Два особых, запатентованных бункера для порошка могут
быть смонтированы в наиболее удобном положении вблизи
горелки. Бункеры можно установить на ручном блоке горелки
или же на дополнительной двухбункерной стойке типа SP-4.
Разъемы на
игах блоков механически
зашифрованы таким образом, что каждый бункер можно соеди-
нить только с соответствующим ему блоком.
Подача порошка осуществляется без помощи злектромотора.
Порошок не соприкасается ни с какими движущимися частями.
Если к системе присоединить два бункера, то можно запускать
их работу один за другим так, что одно покрытие будет следовать
за другим, образуя слоистую структуру, при этом не нужно
прерывать процесс для смены бункеров.
Бункеры легко очищаются и они герметично уплотнены,
будучи отсоединены от системы. Часто используемые порошки,
таким образом, можно хранить в дополнительных бункерах. Для
этого можно использовать настенный
бункеров типа ВМ-6.
держатель
Главный блок контролирует несущий газовый поток. Скорость
подачи порошков “Метсо" может контролироваться в широком
диапазоне с отклонением от установочного значения менее, чем
на 2%.
Скорость подачи порошка, кг/ч: ,г
металлы: 0,2-18,0; ' 1
ОС
карбиды: 0.5-9.0.
Плазменная пушка “Даймонд" фирмы Метко
Компонентов:
1. Блока манипулятора.
2. Блоха питания и контроллера.
3. Модуля программного обеспечения и управления.
Конструкция системы. Система обладает пятью степенями
По оси А: Вращение планшайбы.
По оси В: Перемещение по высоте планшайбы.
По оси Г: Вращение колонки суппорта.
По оси Д: Линейное перемещение колонки суппорта по
направляющим.
Б. Поворотный столик с головной опорой и хвостовой опорой.
Для того, чтобы иметь возможность размещать на поворотном
1-толике длинные детали, существует специальный вариант,
укомплектованный блоком хвостовой опоры. Планшайба может
Технические характеристики.
Максимальная длина обрабатываемой детали: 2000 мм.
Максимальная масса обрабатываемой детали: 400 кг.
Схема устройства плазменной пушки "Даймонд" приводится
Схема устройства плазменной пушки “Даймона"
1.8. Дальнейшие пути автоматизации процесса
плазменного напыления
Можно выделить три направления в автоматизации процесса
плазменного напыления - это создание системы для поддержания
обеспечивающей получение деталей и покрытий с требуемыми
Для напыления деталей с требуемой геометрией необходимо
имс методики, позволяющей по заданным геометрическим
параметров управления формой и закон их регулирования, но и
рис полагать техническими средствами для практической реали-
зации найденных условий напыления. Так как управление
мптериала С, скорости перемещения пятна распыла V и шага
поперечной подачи S. Установка плазменного напыления должна
иметь устройства, осуществляющие строгое дозирование матери-
детали. Для дозирования порошка промышленные установки
оснащаются питателями. Перемещение же распылителя и детали
осуществляется средствами механизации.
При напылении
всрхности параметры управления формой можно поддерживать
постоянными на найденных номинальных уровнях и, следова-
тельно, задача регулирования в данном случае сводится к их
стабилизации. При напылении покрытий на поверхности
вращения расход напыляемого материала также может поддер-
dx/dt, dz/di необходимо изменять в процессе напыления по
включает как стабилизацию параметров управления формой, так
и их изменение по заданной программе.
материала и 'кинематических параметров должна иметь програм-
мное управление, обеспечивающее работу регуляторов в режиме
стабилизации и слежения.
Для выработки требований к точности регулирования можно
g_ n8i . КИП- F
В этом уравнении нестабильность процесса учитывается
случайными отклонениями коэффициента использования порошка
(КИП), относительной плотностью напыленного материала (р„„)
и похазатслуь формообразования покрытия (F).
Используя критерий погрешностей можно считать, что точ-
ность регулирования параметров формой V.S.gj равнотолщинвость
должна обеспечиваться на таком уровне, при котором сумма
этих пара-
метров не превышает одной трети величины суммарной относи-
тельной погрешности показателей КИП, р^, и F,to есть чтобы
выполнялось условие: ezS 0,3 Д 8,
вания параметров управления формой V, S, gp
Д8“15% - относительная суммарная погрешность, связанная
с нестабильностью процесса.
Из сказанного следует, что системы регулирования парамет-
ния параметрами V, S и gp при которой их суммарная относи-
тельная погрешность не превышает величины, равной 15%.
Общая современная тенденция автоматизация процессов со-
здания покрытий (от подготовки поверхности до получения
готового изделия с покрытием), компьютерное управление.
Характерным примером является установка фирмы “Плазма-
Техник АГ” (Швейцария) для напылений покрытий на поршне-
вые кольца ДВС.
Установки полностью автоматизированы, работают - 20 часов
в сутки, предназначены для массового производства.
Применение промышленных роботов на участке плазменного
напыления
Практика показывает, что, вследствие присутствия человека-
оператора в рабочей зоне оборудования, существенно поднять
производительность и обеспечить стабильность свойств плазмен-
ных покрытий, а также улучшить условия труда не удается.
Попытки получить качественное покрытие на деталях со слож-
ными пространственными формами при ручном манипулировании
распылителем, как правило, не увенчиваются успехом.
Для расширения технологических возможностей процесса,
дукцин, а также с целью повышения культуры производства
необходимо удалить человека из рабочей зоны, используя
средства автоматизации.
Отечественный и зарубежный опыт свидетельствует, что для
физическими и нервно-психическими нагрузками на организм
человека, а также характеризующихся наличием профвредностсй,
стоящее время в промышленности разработана ВЙСПем и ВНИИ
автогенмашем и передана в серийное производство полуавтома-
тическая установка 15В-Б.
Промышленностью выпускается серия промышленных робо-
опасными условиями труда, в основном для внутриоперационного
транспортирования (литейное, гальваническое производство, об-
работка давлением) и лишь изредка - для рабочего манипули-
рования (сварочное производство). Робота, удовлетворяющего
всем требованиям процесса плазменного напыления, в настоящее
время не существует. В СНГ применяется робот ТУР-ЮК, за
рубежом - ASYA (Швеция) и др. зэяа
5-координатная поворотная платформа типа 1R500-5 1
Общее описание. Управляемая микропроцессором 5-коорди-
натная поворотная платформа типа IR500-5 была специально
разработана для совместной работы с роботом МЕТСО AR-1000
или роботом другого типа.
Робот этого типа имеет характерный набор движений, который
заставляет пользователя размещать рабочий орган в оптимальном I
положении для этого образца. i
Поворотная платформа IR-500-5делает возможным оптималь-'
ное позиционирование без каких-либо сложных повторных рас-
Поворотная платформа может также быть использована как
, отдельно стоящий блок, и при оснащении его хвостовым'
инвентарем можно манипулировать даже продолговатыми цилин-'
; дрическими частями. '
В стандартном варианте это устройство имеет следующие
приводы осей: Ч
Произвольный
Ось Л: с числовым программным
управлением (ЧПУ)
Ось В: электромотор
Ось С: электромотор
С ЧПУ
с ЧПУ
электромотор и/или с ЧПУ
3 электромотор и/или с ЧПУ.
Программирование. Программы вводятся в манипулятор ра-
бочего органа или в модуль управления с клавишного пульта.
Дисплей выдает подсказку оператору благодаря программирова-
нию последовательности. При выполнении программы на экране
отображаются параметры срабатывания, такие, как скорость
платформы и положение указателя.
Комплексная программа типового манипулятора включает 57
программ, содержащих фиксированные скорости вращения. За-
зона (2-510 оборотов в минуту).
В дополнении в память устройства помещаются ячейки для
50 программ (предварительно) для использования с типовым
манипулятором.
Каждая программа позволяет оператору вводить 15 команд
гной платформы.
ДЛЯ ПроГрГ
поворотной платформы.
Как только команда
Шестью доступными командами программирования являются:
1. Вращение. Вращение с постепенно возрастающей или
уменьшающейся скоростью. Первоначальная и конечная скорость
в диапазоне 2-510 оборотов в минуту, их увеличение или
уменьшение выбирается с программируемым временным интер-
2. Индикация. Вращение на 360' торцевой поверхности может
поворотов, остановок на каждой расчетной позиции и задержек
времени срабатывания можно легко запрограммировать.
3. Позиционирование. Поворотная платформа поворачивается
в запрограммированное положение (2*-360' по 2* в шаге) и
останавливается. Для выполнения этого действия требуется
только одна команда. Для достижения заданного движения, при
котором углы непостоянны, могут использоваться дополнительные
команды.
4. Ускоренное позиционирование. Торцевая поверхность пово-
рачивается через 10 запрограммированных секторных положений
за один непрерывный оборот. Скорость приближения к каждому
сектору программируется оператором. Можно определить 10
групп данных (сектора и скорости). Эта команда специально
разработана для использования турбинных лопаток.
5. Ожидание для особой временной задержки 0-255 секунд. ,
6. Ожидание, пока на контроллере не будет нажата клавиша,
начала цикла. Ч,,п,мич„.. orvwvqa .3 <г>0
Устройство сопряжения с роботом. Программы могут выпол-
нив одна за другой в любой последовательности роботом
MKIVOAP-IOOOno
или на модуле
|м«ления поворотной платформой.
Между программами нет задержки, что позволяет оператору
К интерфейсу могут также подключаться другие типы роботов
Система создана под питание 380 В переменного тока, 3
Мшу кабелю.
Грузоподъемность.
Торцевая поверхность по горизонтали: 320 кг
Торцевая поверхность по вертикали: 250 кг.
Максимальный участок перемещения: *
1970 мм 4940 мм х 1 1800 мм ,w,
Варианты.
Л. Поворотная платформа с приспособлениями.
Для сокращения времени простоя при загрузке (разгрузке)
ж во оснастить поворотную платформу шестью отдельными
торцевыми поверхностями.
Образцом выполнения такого движения является:
- Вращение всех отдельных торцевых поверхностей с одина-
шение (смотрите программирование “1”).
- Индикация всех торцевых поверхностей одновременно
(смотрите программирование “2”).
- Позиционирование каждого приспособления под распыли-
тельную форсунку.
- Ожидание вследствие особой задержки срабатывания (смот-
рите программирование “5”).
- Ожидание, пока нажмут клавишу начала цикла (смотрите
программирование “6”).
В. Поворотная платформа с передними и задними приспособ-
Чтобы иметь возможность использовать длинные детали, в
эксплуатационной готовности имеется вариант, укомплектован-
ный хвостовым устройством. Торцевая поверхность может быть
заменена зажимным устройством.
f Максимальная длина рабочего органа: 2000 мм.
Максимальный вес рабочего органа: 400 кг.
к
Фирмой “Метко" разработано новое поколение промышлен-
ных роботов для нанесения покрытий для ГТН. В основе гибкой
автоматической системы производства робот типа АК-1000.
Это многопозиционный робот, управляется компьютером.
Ему присущи следующие особенности:
1. Шесть степеней подвижности (шестиосная шарнирная
рука).
I 2. Точечная фиксация положения и угла наклона плазменного
। пке-.олета или сопла форсунки к подложке;
3. Большая рабочая зона.
4. Высокая грузоподъемность при сохранении высокой скоро-
сти и точности позиционирования. 1
6. Герметическая защита от пыли.
Установка включает:
1. Корпус робота.
2. Блок управления, пульт управления автоматическим режи-
3. Оперативную коробку.
4. Клавишную панель (выносной пульт управления). с
5. Пульт ручного управления.
6. Механизмы для газотермического напыления.
1. Корпус робота. Высокая опорная колонна с обширной
рабочей зоной
движений верхней половины человеческого тела. Движения 6
осей от двигателей постоянного тока. Корпус пыле- и дымонеп-
роницаем (герметизация дает возможность работать в атмосфере
пыли и дыма).
Высокая грузоподъемность. Использует все типы устройств
для герметического напыления.
2. Блок управления. Автономный герметизированный шкаф с
обшивкой шумопогашения.
Устройства газотермического напыления подсоединяются к его
терминалам ввода-вывода, обеспечивая автоматизацию процесса
нанесения покрытия.
3. Пульт управления автоматическим режимом. Пыленепро-
ницаемый ящик с кнопочным пультом, выключателями, индика-
торами режимов и аварийной сигнализацией (все герметизиро-
вано от пыли).
4. GRT панель. Клавиатура с экраном дисплея, на который
выводятся алфавитно-цифровые данные крупного размера. Ко-
манды, которыми пользуются часто, располагаются на переклю-
чающихся клавишах, что упрощает программирование и редак-
тирование. . НШМШМИОДМ
.1, Пульт ручного управления. Используя пульт ручного
управления, оператор может осуществлять движение по каждой
осей и по всем вместе по системе декартовых координат. С
ипмотью этого пульта возможны: I) научение позициям; 2)
проверка запрограммированных позиций, прогон программы.
ft Программное обеспечение. Для типичной операции напы-
лвнкя существуют предварительно подготовленные программы.
Оператор может клавишным набором вызвать соответствующую
Ироптмму, научить робот нескольким позициям, и робот готов
жям одновременно
АР-1000 движется по 6
I (рограммное обеспечение:
I. Н-линейный ход
3. Н - горизонтальный ход
4. V - горизонтальный ход
5. Н-вогнутый ход
8. V - выпуклый ход
9. Н- конусный ход
10. V-конусный ход
В таблице 8.1 представлены различные отрасли техники, где
получило распространение плазменное напыление.
Характеристика приборов для определения толщины покрытия
представлена в табл. 8.2,
риалов - в табл. 8.3, а пример производственного использования
ITH при восстановлении деталей сельхозтехники - в табл. 8.4.
Таблица 8.1
Области применения плазменных покрытий
IMtavr» И меже Кмжкчепи шжрмпы Мжтсркжлы ваермтяя
стали э^зм горячими Слой АЦО, ♦слой СА
мартеновских печей Долговечность AI,O3.ZrO3
Диски электропил Электроизоляция АЦО,
Графитовые тигли для плавки плутония Предупреждения загрязнения расплавленного Цирконат магния.
никелевых руд ,ор₽°““ АЦО, с пропиткой
Кокильные формы ZrO,
Литейные ковшы то же АЦО,. ZrO,
Защита от теплового удара в эрозионного воздействия горячих отходящих газов CTjCjAIjO,. 2 М»О.Л1го,
МГД-ге не ра торов Элсктроиэоляния АЦО,; ZrO,
Топливные элементы Жаропрочность АЦО,; Al-Nl
Лопатки дммоотсосов Жаростойкость AljOy.ZrO,
Энерго- Горелки для пылевидного топлив* Износостойкость ПГ-ХН80СРЗ
уранового сердечника теплообмена и защита урана от подслоем Al
компрессор?^ реактивного двигателя стойкость. жаростойкость WC-CO.T1C. Сг,Оу NI-AI, NI-Cr-B-SI, NI Ab. Al/),
Турбин” га3°““ ТО X
Цапфы шасси Износостойкость Твердые карбиды
«рыли» Прочность, жесткость
материалы с волокнистым упрочнением
Обыст» И меже Hi иичсюш досрыпи Материалы покрыта
Детали реакторов, в том числе на графит* Антисхватывающие, теплоизоляция AI2O5.ZrOj
контрольных Электронзоляшя МА
покрытия на керамике под пайку керамики с металлом Мо
Оь Поворотные цапфы автомобилей Восстановление путем нанесения износостойких 85% ПЖ-5М + +15%ПГ-ХН80СР4 ВКНА, Ne3AI
шов^^омсбнлей одновременным ПГ-ХН8ОСРЗ с
по^т^ЩСС ПГ-ХН8ОСРЗ
Коленчатые валы Восстановление покрытия на шейки АЦА1 ВКНА
jJW- Опоры коренных подшипников блоков Восстановление поверхности ПЖ-5М с легирующими алюминия АКП в количестве 1-2%)
Рдспр.дся.гельны, Восстановление износостойкого СНГН. ВСНГН
SSF А^.А1-Аг.
Цилиндры (гильзы) Износостойкость Сталь Cr-B-Nl-Sl
В"“’“ "’Р»™»" Защита от кавитации ALO- (подслой 60% Cr ♦ 40% Nr). А12О,+2Сг2О,“”-
I . Мелотт . i «wxrrj I " 1 Таблица 8.3
Свойства плазменно-напыленных материалов
ПЛ М0Д> А упругости п.—“
ил-ion р-87.1% Р - 90.2% р - 100% 1 с -42л О* - 198,1 °« “ 0.69-2.03 з-зз (473-1273К) Ц - 30*46 мкм <^2 - 1Я2Д г/с Подложка - AI .,ЧГГ
р - 80-90% р - 90-93% 1< о’ - МЯЗ О— - 152,0 Е - 116,74 °« " 2.18 La i ^2 “З.о7/с I - 310+320 А V - 60+75 В б - 0,4 с/г X - 80 мм Подложка Ст-3 СТОЛТЫ
W-M. р - 89% р - 9S% 0* - 212,9 линейна чЬякхг.Ьяс ХСППТТННН ВО Нги цЬно< еьихь р - 63+100 мкм
1 1: \
i: §2-3 ili h h !lh ft? ft?
и 1 1 -o
s 2
f Я'? lb o' o'o* S 4». f .27 o' o*o* s.sls Л’Л - И- ? A'SoM ffl
p !
j I 1 1 II 1 8 1 i ' i
I X s* 2 ! 5f c
1 «Oil, lb. LJLE. 8 . hlff8 8 „2 §<^5 Ho'?» xAe-iu
i! Й I 1
Й Л- f
№ rm-j S'SZl - 0 ?l > i f io ;
s
p 1 T ?T§ * :?e< г • r 1 s
J s E 1 a 8 Й f f;
[ г if! ей 1 11
1 1 ?il i 4^ S S=7?h zo\sVjL s??di°j;?s«h z t?3 Д J iJiJ z"a.J
1} |l кф?
‘s H js Д - i=- : At AZ _ >
lb - „ s’ А й 3 X s 2 » к 32-? ?! ?? j ? bS S o®uj I tu
£ | ’ !
Id 1 . -.1 =.iS ч В s 5 ( C 'h ’ ?f 7
J $* < ж £| * 1
Таблица 8.4
Примеры производительного использования ГТН при
восстановлении деталей сельхозтехники
•“2ZT Умов» p»fcTM
юмрхмоскв
Х«”“е отверстия осевые усилия пменгпм, ПЭП+ПНЩН)
•к'мобильных тоже Х“о. Тоже пмо+гпм, ПЭП+ПМО4ГПМ,
!£Хн“е Чугун модяфвци- Тоже пмогпм, ПЭП+ПН(ДН)
двигателей
1Г! Плоскости, Чугун Мш
|р| Тоже Тоже ПМОПНСДМ), ПМ>4ГП.М. эп
да Огеерсше 2ГнВ пмо+эдм, пэп+пи
«|мктормых и поверхность СТ13. СДВИГ пмо+гпм. ПЭП+ПН(ДН)
двигателей
Коленчатые Поверхности IF Ударные пменэдм.
нагрузки
М“^Г’ \о»ёрхяжтей
Гладоеаллы тлотнение Сталь ПМОПН; !:м< ПЭП+ЭДМ(ПН)
шлицевые плицы ПМО+ЭДМ. пэп+пн
Штоки гндро- цнлнндров Поверхности Тоже С.№3"“"“й ПМО+ЭДМ. ПЭП+ПН(ДН)
Коромысла. клапаны и др. Тоже ПМО+ЭДМ. пэп+пн
Л 1—- Ihh ПМО+ЭДМ. пэп+пн
Условные обозначим»: ф ЭДМ - элсктродуговое напыление. ПН - плазменное напыление. ДН - детонационное напыление. и> ПЭП - подслой из экзотермического
1.9 Детонационное напыление
Детонационное напыление позволяет наносить покрытия из
спмых разнообразных материалов на металлические и неметал-
лические изделия. Высокое качество детонационно-напыленных
Покрытий (табл. 6.1) обусловливает их широкое применение для
mi щиты деталей от износа и эрозии в авиационной и других
птрислях современной техники. Детонационные покрытия отли-
члются лучшими качественными показателями в сравнении с
покрытиями, получаемыми при других способах ГТН. Объясни-
гтся это тем, что фо[
шх покрытий в широко
ною и плазменного напыления осуществляется путем взаимного
приваривания отдельных частиц материала. Для образования
Н|кн|ного сцепления частицы должны нагреваться до температуры
плавления и выше, что при напылении некоторых материалов,
например карбида вольфрама, приводит к диссоциации частиц,
окислению и другим нежелательным явлениям. Высокая пори-
стость и связанная с этим пониженная прочность плазменных
покрытий, низкая прочность сцепления с подложкой ограничивает
с<|юру их применения. Кроме того, при плазменном напылении
материалов - использование камер с инертной средой. Прочность
покрытий остается сравнительно низкой, поэтому целесообразно ,
использовать изыскание новых источников активации поверхно-
стных слоев частиц в момент их сваривания. Кроме температуры ч
активации процессу образования прочного соединения способст-
уст повышение давления в зоне контактов свариваемых мате-
риалов. ц
Величина импульса давления, возникающего в зоне соударе- .
пия частиц, определяется физическими свойствами материалов и л
скоростью соударения. Перспективно применение методов, обес- ->
существен™
скорости
'члстиц, которая обычно не превышает 100 м/с. Повышение
продуктов детонации для разгона и нагрева напыляемых частиц.
При этом могут возникать импульсные давления, превышающие П
КЮ108 Па. А
Главную роль в механизме формирования покрытий при ?
плазменном напылении играет термическое взаимодействие меж-
ду напыляемыми частицами и подложкой или предварительно
напыленными слоями, изменение скорости частиц при плазмен- к|
кинетику химического воздействия. При детонационном
факторов в формировании покрытий.
Таблица 9.1
Некоторые свойства детонационно-газовых покрытий
HV В.МП.
WC + 9%Co 1300 560 218- 10* 1 540
WC+13%Co 1150 630 218 10* 1 540
WC*15%Co 1050 700 213 10* I 540
25% WC + 5% Nl + смесь WC - Ст,С2 1075 280 12- 10* 1 760
€0%AIjOj + 40%TIO3 950 130 77- 10* 1 705
85% Cr3Cj ♦ 15% NICR 800 530 127- 10* 1 980
80% Cr3C2 ♦ 20% NICr 700 490 127- 10* 1 980
70% CfjCj ♦ 30% NICr 625 1475 10* 1 980
99% Cr,O, 1350 3 540
80% Cr2O3 ♦ 20% A>2Oj 925 105 56 10* 1,5 870
99%А1,О3 1100 140 85- 10* 2 980
Физихо-мехавические и эксплуатационные свойства детона-
ционных покрытий - плотность, прочность, термостойкость.
сопротивление ударным нагрузкам и др. - намного превышают
соответствующие показания дай покрытий, полученных метода-
ми плазменного и газопламенного напыления. Это обусловливает
возможность широкого применения метода во многих отраслях
Поэтому в настоящее время наряду с известными методами
электродуговым - все большее применение находит детонацион-
ное. Высокая скорость частиц при детонационном напылении, в
5-10 раз превышающая скорость в других процессах, создает
благоприятные условия для получения покрытий различного
назначения. Детонационные покрытия успешно применяются для
повышения износостойкости и жаростойкости поверхностей, для ,
защиты от коррозии, для придания магнитных свойств и пр.
Особенно широкое применение детонационное напыление полу-
чило в авиастроении для упрочнения деталей газотурбинных
явиштслей. Сущность процесса детонационного напыления за-
влючнстся в использовании энергии детонационного сгорания
НИЮ м/с) частицам порошка наносимого материала. Нагрев
частиц и ускорение осуществляется продуктами детонации. При
*вк>1шциоином напылении высокая скорость частиц приводит к
Тому, что взаимодействие частиц с напыляемой поверхностью
Н|н>исходит при импульсивном давлении, на порядок превы-
шикнцем давление, имеющее место при плазменном напылении.
Схема устройства для детонационного нанесения покрытий
ирнпедсна на рисунке 1.18.
I. Параметры детонационного напыления
' Конструктивные параметры распылителя. Наибольшее влия-
ние на эффективность процесса оказывает диаметр ствола, его
Цлина н форма.
Параметры режима работы детонационного распылителя.
Наиболее значимыми параметрами являются род и расход газов,
^ходящих в детонационную смесь, соотношение между горючим
визам и кислородом.
Параметры материала и условий его ввода в канал ствола.
Наибольшее влияние на эффективность процесса оказывает
диаметр порошковых частиц и их плотность. Обычно приме- г
Ьяют порошки со средним диаметром 10-S0 мхм.
мере зависят от условий их ввода в канал ствола. Наиболее >
высокие скорости частиц реализуются при подаче порошка на
расстоянии 200-400 мм от среза детонационного ствола.
Параметры детонационной волны, продуктов ее распада и
потока напыляемых частиц. Наиболее значимыми параметрами
детонационной волны являются температура, энтальпия и
скорость газового потока внутри канала ствола и на выходе из
него. В основном эти параметры зависят от состава в расхода
рабочей детонирующей газовой смеси.
Параметры потока напыляемых частиц характеризуются сле-
дующими величинами.
Температура частиц в большинстве случаев ниже темпера-
туры плавления распыляемого материала. Скорость частиц
находится в пределах 800-1500 м/с.
Скорость частиц при детонационном напылении может
регулироваться с учетом физических свойств материала, размеров
сния навески порошка до открытого конца
Одновременно с ускорением частицы порошка подвергаются
и интенсивному нагреву продуктами детонации. Превалирующую
роль в этом процессе играет конвективный теплообмен между'
твердой и газообразной фазами.
При оптимальных режимах напыления поверхность наноси-
мых частиц приходит в состояние, обеспечивающее качественное
формирование слоев покрытия и прочное сцепление их с
основным металлом при отсутствии чрезмерного испарения
Прочность соединения таких покрытий с основным металлом
определяется также характером и интенсивностью проявления
пластической деформации материала в зоне соударения детали
Одной из важнейших характеристик технологических процес-
сов напыления порошковыми материалами является коэффици-
ент их использования. По существу он показывает относитель-
ную долю частиц, участвующих в формировании слоя покрытия
‘ и обладающих необходим
образования соединения.
параметрами для
* рошков способствует введение их в ствол установки в виде
аэрозоля. В целом же данные о коэффициенте использования
порошка в сочетании с физико-механическими свойствами дето-
национных покрытий позволяют проводить комплексную оценку
выбора оптимальных технологических режимов их напыления.
Можно выделить ряд основных параметров, определяющих
свойства детонационных покрытий. Основными физико-химиче-
скими независимыми характеристиками являются:
1) агрегатное состояние частиц перед их взаимодействием с
(«новой;
2) концентрация расплавленных частиц;
3) скорость частиц;
4) химический состав и физические свойства материала
частиц и поверхности подложки;
6) распределение частиц по размерам;
7) геометрия поверхности подложки;
8) химический состав среды, контактирующей с основой;
9) температура частиц;
к
10) температура поверхности основного материала с момента
нанесения детонационного газотермического покрытия;
11) концентрация частиц в различных областях двухфазного
газотермического потока.
Оператор контролирует режим напыления и управляет про-
цессом детонационного напыления, меняя физико-химические
характеристики напыляемых частиц и основы в момент форми-
рования покрытия. Основные технологические параметры дето-
национного покрытия: &
1) химический состав порошка;
2) состав детонирующей газовой смеси;
4) расположение порошка в стволе в момент инициирования
детонации;
5) дистанция напыления;
6) навеска порошка на один выстрел;
7) режим подготовки поверхности основы; i
8) температура подогрева основы;
9) диаметр ствола;
10) длина ствола;
11) интервал между выстрелами;
12) доза газовой смеси на одни выстрел;
13) состав газовой смеси в стволе между выстрелами;
14) распределение частиц по размерам.
Детонационное покрытие плохо образуется на стыке поверх-
ностей с резкрм пространственным переходом, поэтому в процессе
предварительной обработки места нанесения детонационного
покрытия необходимо снимать фаску или опиливать с радиусом
более 0,4 мм.
Последовательность операций на обработке внутренних от-
верстий показана на рис. 285.
Выбор ।
ха в основном определяется
условиями, в которых будет работать покрываемая деталь.
Минимум пористости и газопроницаемости детонационного
покрытия
му фазовому превращению частиц
напыляемого материала и наибольшей возможной концентрации
их в детонационном газотермическом потоке.
Одна из основных характеристик, с которой в значительной
степени коррелируют все основные технические характеристи-
ки, - пористость. В свою очередь, с пористостью коррелирует
коэффициент фильтрации, который является значительно более
чувствительной характеристикой и может быть определен доста-
точно быстро и с удовлетворительной точностью.
Производительность детонационного газотермического напы-
ления определяется по средней толщине наносимого покрытия,
ориентированного по нормали к оси газотермического потока (по
оси ствола детонационной пушки) и образуемого при выполнении
одного детонационного цикла (выстрела). Эта величина, назы-
ваемая толщиной единичного слоя Н, является оценочным крите-
рием технологического процесса при импульсном напылении, что
более наглядно отражает эффективность детонационного напы-
ления, чем критерии, используемые для характеристики непре-
рывных процессов, таких как масса покрытия, нанесенного в
единицу времени (производительность), расход порошкового
материала или его КИМ (В).
По величине Н определяется число циклов, необходимых для
получения покрытия нужной толщины, так как число выстрелов -
наиболее легко контролируемая характеристика процесса дето-
национного напыления. При этом производительность и коэффи-
циент использования порошка определяется по известной вели-
Существует автоматическая детс
1ИДУС-1
с программным управлением. Технологические достоинства уста-
новки: оперативное изменение режимов (программ) нанесения
покрытий, регулирование дозы одного из компонентов взрывчатой
смеси, подаваемых в смесительную камеру; регулирование вре-
мени продувки канала ствола, начала и конца цикла нанесения
детонационного покрытия, изменение времени задержки детона-
ции газовой смеси, увеличение или уменьшение скорострельности
детонационных выстрелов, осуществляемое дистанционно с пуль-
та управления.
Разработана прогрессивная технология и промышленное обо-
рудование для нанесения детонационных газотермических покры-
тий напылением, наносимым “Автоматическим детонационным
комплексом” (АДК).
Основные технические характеристики автоматического дето-
национного комплекса АДК приведены в табл. 9.2.
Таблица 9.2
Основные технические характеристики
автоматического детонационного комплекса
Нлкмепошм пхраметус» АДК-1 АДК-Ш
Г»п|х*гтрельность. выстрел/с 2-4 3-6 (дискретно)
S-10 5-10
1 выстрел. мкм
11-«иццдь покрытия, формируемого за 3.2 3.2
Рабочая среда - смесь газов
1г.1Шюп«сш сред. Воздух, вода. Воздух. вода.
ацетилена в 1,75-3.2 1.75-3.2 5.8-8,0 29-25
Расход воды, м*/ч 1.0 13
1Я.ЮВЫХ сред в подводящих магистралях МПа (кгс/см2): кислорода азота отсечки 0Л(8) 0,3(3) 0.4(4) 0.2(2) Йй Ш ill! !!! о
0.1-0.25 0,1-0,25
г/выстрел
Потребляемая мощность, Вт 350 1500
Напряжение питания, В 220
Род тока Переменный
Частота, Гц 50-60 50-60
Коэффициент использования 40-50 40-50
Ресурс, ч 350 200
Состав взрывчатой смеси и степень заполнения ствола
щественно влияют на энергетические характеристики продук-
тов детонации.
Некоторые характеристики горения и взрыва газовых смесей
различного состава приведены в табл. 9.3.
' При необходимости предварительной очистки или активации
* поверхности детали, а также для повышения прочности сцепления
покрытия с основой производится детонационно-абразивная об-
работка (ДАО) поверхности напыления с использованием того
же оборудования, что и для напыления. Для этого в ствол
Эффективность ДАО выше традиционной дробеструйной обра-
Автоматизированные комплексы промышленного оборудова-
ния для нанесения детонационного газотермического покрытия
(типа АДК-1 или АДК-IM) состоят из:
1) детонационной пушки;
2) пульта управления составления детонационной газовой
3) операционного пульта управления.
При наличии общности в схеме компоновки автоматизиро-
ванных комплексов детонационного напыления существуют и
конструкционно-технологические различия. Так, автоматизиро-
ванный комплекс АДК-1 используется для выполнения опытно-
1) составление оптимальных технологических процессов при
вариациях основы и напыляемого материала;
2) то же, при напылении поверхности крупногабаритных
изделий;
неболь-
ших партий деталей несложной формы.
4) исследование механизмов протекания различных вариантов
детонационного напыления
ван к условиям эксплуатации различных конструкций робота-ма-
нипулятора, обеспечивающих требуемые условия ориентации
газодинамического потока детонационного напыления.
При особо крупногабаритных деталях комплекс АДК-1 позво-
ляет провести напыление прямо
металлообрабатывающих станках.
Исходя из многообразия покрытии, получаемых методом
детонационного напыления, для управления технологическим
процессом нанесения покрытий и его контроля используется
разработанный для этих целей электронный пульт управления.
временные параметры работы всех исполнительных органов.
Для нанесения однотипных покрытий на большие партии изделий
разработана система управления электромеханического типа.
Для напыления длинногабаритных изделий комплекс может
которую устанавливается детонационная пушка. При этом обес-
печивается контролируемое перемещение детонационной пушки
относительно напыляемой поверхности.
екс АДК-IM разработан для вы-
ыления в условиях организации
полнения дето
серийного производства газотермических покрытий.
Управление процессом нанесения газотермического покрытия
происходит в автоматическом режиме, контролируемом операто-
ром при помощи пульта управления, как исполнительными
механизмами детонационной пушки, так и манипулятора.
Достигнутый
напыление на следующие детали:
- валы 0 20-250 мм и I 1500 мм;
- торцы дисков диаметром до 600 мм;
- пластины размером 1500x300x300 мм;
- масса напыляемых изделий не превышает 150 кг.
В конструкции этого оборудования обеспечена синхронизация
ностных характеристик газотермических покрытий. Для своевре-
менного выявления нарушений технологии детонационного на-
пыления создано и широко используется диагностическое при-
борное оборудование, промышленное внедрение которого резко
сократило процент брака при напылении покрытий и обеспечило
. гарантированную стабильность их физико-химических свойств.
К достоинствам детонационных комплексов типа АДК отно-
сится их принадлежность к энергосберегающему оборудованию:
потребляемая электрическая мощность в 100-150 раз ниже
изводящих однотипное газотермическое покрытие.
Непрерывный процесс производства детонационного газотер-
мического покрытия разработан фирмой “Плазма техник” (про-
цесс CDS), в основу которого положена физическая закономер-
ность сверхзвукового истечения газотермического потока как
разряда, превышающего по величине частоты энергию детона-
ционного взрыва, - по всему объему запальной газовой смеси.
Такое сверхзвуковое воздействие газотермического потока на
основу вызывает повышенную адгезионную прочность и величину
что реализуется в повышение износо-
и коррозионностойких характеристик. Контроль за прохождением
технологического процесса осуществляется микропроцессором.
Детонационная установка “Союз" (Технические характери-
стики ее даны в табл. 9.4) применяется в металлургической
промышленности, производящей трубы большого диаметра на
поточных технологических линиях, - для нанесения информаци-
онных меток, в том числе, при производстве стальных обечаек
труб магистральных газопроводов высокого давления.
- детонационная газовая пушка с вертикальным стволом,
- встроенная кабина оператора с пультом управления и
пульп»
пределения;
- дистанционный пульт управления.
Установка монтируется на поточной линии и действует в
циклическом режиме, в соответствии с циклом работы поточной
Ствол вместе с питателем порошка, кабиной оператора и
другими узлами смонтирован на общей станине. В кабине
размещены пульт управления и пульт газораспределения.
Таблица 9.4
Основные технические характеристики
детонационной установки “СОЮЗ”
Наружный диаметр маркируемого изделия, м 1.420
Размер меток, м: шаг между метками 0.1$ 030
Рабочая среда: кислород.
Периодичность нанесения:
Количество Наносимых меток, шт 3-13
Время нанесения меток с вспомогательными операциями. мин 13
горючего газа »..О кислорода \IS.O продувочного газа ••«.О воздуха (с учетом продувки кожуха) 9-IS- 10“ 27 IOJ “10“ " 10“
0,1 0,36 0,36
Расход порошка, кг/с 6 10“
Расход воды па охлаждение (средний). мэ/с 6 10-
Питание or электросети: 220
Установочная мощность, Вт 800
Установочные габариты (основание станины с встроенной вылет ствола кабины 2.4 1*3
Детонационная установка “Молния” применяется для нане- сения защитных газотермических покрытий (технические харак- теристики в табл. 9.5), используемых как при выполнении восстановительного ремонта различных деталей, так и для
мышленности, двигатслсстроения и других отраслей производст- В состав оборудования “Молния" включены: - детонационная пушка с горизонтальным стволом; i I - пульт газораспределения; - электронный пульт управления; - питатель порошка. Таблица 9.5 Основные технические данные детонационной установки “Молния”
Рабочая среда “X
20-25
Давлеиве газов, МПа: 0,15 0,20 0.36
игслорад 0.1-0.4 0.2-0.S 0.1-0.3
Количество циклов. Гц 2-6
Расход порошка, кг/цяхл
Расход воды на охлаждение, м3/с 1- 3* 10’4
напряжение. В 220
Выходная мощность. Вт 2S0
Установочные габариты детонационной пушки, м: 0,96
Высота оси ствола над полом, м 0,93
Масса, кг 200
Размеры бокса в плане (ориентировочно). м 4x4
Упр»а,екИо
Детонационная установка “Гамма" (технические характери-
стики в табл. 9.6) предназначена для нанесения газотермических
защитных покрытий из порошковых материалов на поверхности .
деталей машин, приборов, инструмента и аппаратов, применяе-
мых в различных областях техники, как при их производстве,
так и при их восстановительном ремонте.
В состав детонационной установки “Гамма” включены: j
- детонационная пушка с вертикальным стволом; . ,
- пульт газораспределения;
- питатель порошка.
Установка “Гамма” снабжается одним или двумя питателями
для порошков различного состава.
н ,*oqo?№qii
Основные технические данные
детонационной установки “ГАММА’
Таблица 9.6
Рабочая сред. кислород.
Диаметр участка напыляемой поверхности при одном цикле, м 0,02-0,025
Давление рабочих газов, МПа: до 0,15 до 0,20 до 0,36
кислород 0.1-О.4 0.2-O.S 0,1-0,3
Количество циклов, Гц 2-6
Расход порошка, кг/цвкл до 0,2- 10*5
Расход воды на охлаждение. м5/с 3- Ю-4
Питание от электросети: частота, Гц напряжение, В
Установочная мощность. Вт 250
для обслуживания». м: 0,85 2.6
Высота торца ствола над полом. м 1
Масса, кг 350
Размеры бокса в плане (ориентировочно), м 3,9x3
УпР>меяие двстанцион-
Количество операторов 2
Детонационная установка “Днепр” (технические данные в
табл. 9.7, 9.8) предназначена для нанесения защитных покрытий
из порошковых материалов на поверхности деталей машин,
приборов, инструментов и аппаратов при их производстве, а
также при их восстановительном ремонте. _
В состав детонационной установки “Днепр" включены: "
- детонационная пушка;
- пульт управления;
- питатель порошка.
Технологические возможности установки позволяют наносить
покрытия на такие детали как внешние
хности неограниченного диаметра и длин
рические поверхности диаметром более 0,015 м на глубину одного
диаметра, изделия прямоугольной формы, плоские цилиндриче-
ские шайбы, плоские поверхности сложного контура, шейки
валов, крышки, подшипники, штоки, уплотнения насосов и
навивки пружин и т.д.
Таблица 9Л
Основные технические данные
детонационной установки “Днепр-Iй
Рабочая среда
пропан-бутан и
Расходы газов на цикл, м5/с: пропан-бутан «да mawaqwen vwwr 5- lO^-lS I0-* S 1<Г*-25- to-4 S' lOj-ZS- 10J
Диаметр разгонного участка ствола пушки, м 0,022
Ш у,а"“ "*"“л>аюв п0”ч“н“™ "Р" ™“ом 0.2S
Количество циклов, Гц 2-5
Расход порошка, хг/выстрел s io-’-js- ioJ
Расход воды на охлаждение. мэ/с 2- IO"*
Питание от электросети: напряжение. В -- . _ 220
Установочная мощность. Вт 300
Производительность, м/с с 3- 3- 10—-О* 10й
1.65x0.6x1.1 IX1X2.6
Толщина наносимого покрытия за один выстрел, мкм 5-20
Управление установки дистанционное
Количество операторов
Таблица 9.8
Основные технические данные
детонационной установки “Днепр-2”
Работа, среда кислород.
Давление рабочих газов, МПа: пропан-бутан iwyx 0.2 0.14 0.2 0.3 “ 0.4
Расходы газов на цикл, м’/цикл: _ кисло»х>я ....... ~ .. аэот ..л пропан-бутан 7- 10^ S- 10- a‘?oJ
Диаметр разгонного участка ствола пушки, м 0.022
Диаметр участка напыляемой поверхности при одном 0,025
Количество циклов, Гц 2-10
Расход порошка, кг/цикл до 0.3- КГ*
Расход воды на охлаждение, м /с 2- 10-
напряжение, В 220
Установочная мощность. Вт 200
Габариты установки, м |.8х0.6х|.1
Управление установкой дистанционное
1
Параметры напыления конкретных деталей:
1) Корпус I и П ступени газовой турбины авиационного
двигателя.
Цель напыления: восстановительный ремонт с получением
Материал
Твердость основы
Условия эксплуатации детали
Температура, *С "
жаропрочный сплав
3,2 103 МПа
ПНХЛ
700
газовая, эрозионное
обработки.
ритная деталь, требующая сложной
Машинное время напыления, мин
Толи
VH А.ЧГИЦХПК
Твердость покрытия, HV
Прочность сцепления с основой, МПа "I1 w,il,Rk,nl“
Пористость, % .
Шероховатость поверхности
2) Головки магнитной записи.
Цель напыления: упрочнение головок, получений
490
1045
50-60
кого покрытия.
Материал основы
Твердость основы, МПа
Материал покрытия
Режим напыления
Толщина покрытия, мкм
Твердость покрытия, HV
V15
ОАТ64С
Прочность сцепления с основой, МПа ,
Пористость, %
VH
60, 90
250
9500
35
0,5-1
После напыления проводится механическая обработка: «ила-
фование, полирование.
0,16, 0,08.
поверхности
3) Пальцы направляющего аппарата жатки-ба в агрегате с
комбайном.
Цель напыления: нанесение износостойкого покрытия
Материал основы
Твердость основы
Материал покрытия
углеродистая сталь
24IHB
ч.,«ч>|.и . НХЛ
Ml
Режим напыления
Машинное время напыления, мин
Толщина покрытия, мкм
Твердость покрытия, HV
Прочность сцепления с основой, МПа
< Пористость, %
200
1040
90
! После напыления проводится механическая обработка.
4) Вставки гидропланок бумагоделательных машин.
Цель напыления: нанесение износостойкого покрытия, рабо-
' тающего в кислотной среде. _______...
Материал основы нержавеющая сталь
Материал покрытия
Режим напыления
130-180
ПВН20, ПОАЦ
30-90 (Зм-10м)
10000
160
, Прочность сцепления с основой, МПа
' Попистость. °/.
После напыления требуется механическая обработка: шлифо-
5) Уплотнительные кольца водяных насосов.
I Цель напыления: получение температуростойких и антнфрнк-
. ционкых покрытий, обладающих высокой коррозийной стойко-
’ Материал основы
' Твердость основы, HV
| Материал покрытия
’ Машинное время напыления, мин •и
Толщина покрытия, мкм
, Твердость покрытия, HV
, Прочность сцепления с основой, МПа
' Пористость, %
нержавеющая сталь
130-180
ПОТ64С
200
800
После напыления покрытия проводится механическая обра-
Шероховатость поверхности
6) Лопатки газовой турбины.
Цель напыления: защита от высокой температ
0,63.
и эрозионного разрушения.
Материал основы
Твердость основы, HV
Материал покрытия —-—
жаропрочный сплав
5000
< ПКХНХАС
Режим напыления
Машинное время напыления, мин
'Гиердость покрытия, HV
80-100
1300 »
I 1осле напыления требуется механическая обработка: шлифо-
вание, полирование. >•
111с|юховатосп> поверхности 1,25. •'
7) Антивибрационные полки лопаток ГТД.
Цель напыления: получение износостойкого покрытия в
условиях высокотемпературного трения и фреттинг-коррозия.
Материал основы титановый сплав ш
Твердость основы, HV
Материал покрытия
Режим напыления
Машинное время напыления, с
Толщина покрытия, мкм
Твердость покрытия, HV
Прочность сцепления с основой, МПа
Пористость, %
ПВК20
300-350 »
950-1100 ’
120 '
После напыления проводится механическая обработка: шли-
фование алмазным инструментом.
Шероховатость поверхности 0,63.
8) Передняя крышка П1 опоры двигателя вертолета.
Цель напыления: восстановление рабочих размеров.
Материал основы
Твердость основы, HV
жаропрочный сплав
296-321
ПКХНХ20С
Машинное время напыления, мин
То;
Твердость покрытия, HV
Прочность сцепления с основой, МПа
Пористость, %
200
700
50-60
После напыления проводится механическая обработка: токар-
ные работы.
Шероховатость поверхности 2,5
9) Ведущая шестерня свободной турбины двигателя вертолета.
Цель напыления: восстановление размеров, увеличение изно-
состойкости поверхности.
Материал основы, твердостью
Материал покрытия
Режим напыления
HRC 26-27
ПНХЛ - '
Толщина покрытия, мхм
Твердость покрытия, HV
Прочность сцепления с основой, МПа
Пористость, %
400
1045
50-60
до 1
гея механическая обработка: токар-
ные работы.
Шероховатость поверхности 1,25.
10) КВД авиационного двигателя.
Цель напыления: получение жаростойкого покрытия, восста-
новление размеров.
Материал основы
Твердость основы, ИКС
Материал покрытия
Режим напыления
Машинное время напыления, мин
Толщина покрытия, мкм •*
Твердость покрытия, HV
Прочность сцепления с основой, МПа
Пористость, %
титановый сплав
ПМН, ПСЖНХ
400
400
50-60
После напыления требуется механическая обработка: токар-
ные работы.
Шероховатость поверхности
1,25, 0,63.
11) Сопловой аппарат П ступени свободной турбины двигателя
Цель напылены
Материал основы
теиие размеров.
жаропрочный сплав
163-217
ПНХАИ
Материал покрытия
Режим напыления ,
Машинное время напыления, мин
Твердость покрытия, HV „,
Пористость, %
200
506
После напыления проводится механическая обработка: токар-
ные работы.
Шероховатость поверхности 1,25,-0,63.
Детонационное напыление дает широкие технологические
возможности, так как соединяемые поверхности подвергаются не
только термической, но и интенсивной механической активиза-
ции. Возникающий при соударении частиц с напыляемой повер-
хностью импульс давления снижает величину энергетического
барьера образования межатомных связей. Кроме повышения
прочности и плотности напыленных покрытий это снижает
условий формирования покры-
тии целесообразно использовать
порошки из частиц, различающихся по массе не более чем на
50-70 %.
Имеется возможность наносить газотермические покрытия,
выполняющие функцию твердых смазок, к примеру, дисульфид
молибдена. Он обладает уникальными смазочными свойствами,
которые объясняются спецификой структуры вещества на моле-
кулярном уровне: химически стоек, нерастворим в воде, маслах,
спирте и во всех кислотах, за исключением наиболее сильных
окисляющих смесей кислот, таких, как "царская водка".
Другой тип покрытий, используемых в машиностроении, -
приработочные. Наиболее доступным методом их получения
является детонационный. Приработочные покрытия применяются
подвижных соединениях, где имеется взаимное механическое
помещение, например в шаровых соединениях. Покрытия позво-
ляют снизить период приработки этих соединений благодаря
наличию в зоне контакта тонкого слоя пластическогоматериала,
заполняющего микровыступы. При этом покрытия должны иметь
высокую адгезионную прочность. В качестве материала покрытия
рекомендуется применять композиционный материал.
В ряде случаев целесообразно совмещать несколько методов
напыления. Так, предлагается производить нагревание и плав-
ление высокотемпературного материала плазменной струей, а -
ускорять частицы напыляемого порошка продуктами детонации
в газах (Пат. 861278, Великобритания). Указанный метод
вольфрама, покрытия из которого при применении обычной
методики детонационного напыления получить не удается.
Другое возможное совмещение детонационного я плазменного
напыления может заключаться в напылении первого подслоя
толщиной в несколько десятков микрон, увеличивающего адгезию
основного локрытия, наносимого плазменным напылением. Ука-
занная методика может быть применена, когда нет необходимости
в столь высоких значениях адгезии и когезии, которые соответ-
ствуют детонационным покрытиям, а прочностные характеристи-
ки плазменных покрытий являются неудовлетворрительными.
Возможности детонационного напыления велики и разнооб-
разны. Например, оно позволяет наносить покрытия на внутрен-
нюю поверхность протяженных деталей. В другом случае удава-
внутренней поверхности трубы длиной более 1 м при внутреннем
диаметре менее 5 см.
При напылении частиц оптимального размера получаются
стиками, но и с минимальной шероховатостью поверхности.
Имеются большие, еще не использованные возможности
метода детонационного напыления. Во всех применяемых в
настоящее время устройствах используется смесь горючего и
окислителя при давлении в стволе перед инициированием,
близком к атмосферному. Увеличение давления в несколько раз
позволяет также в несколько раз увеличить производительность
напыления и качество покрытий за счет увеличения плотности
и скорости истекающих из ствола продуктов детонации.
ления и их характеристика приведены в табл. 9.9. Указанные
порошковые материалы отличаются тем, что обеспечивают
высокие качества, получаемых из них покрытий, которым
нения с основой, коррозиониостойхость и износостойкость.
Таблица 9.9 •
Перечень порошковых материалов, применяемых для
детонационного напыления и их краткая характеристика '
* Шиммом ЮК Критдм хараптуяспп.
JOOO'C. Покрытие обладает высокой прочностью сцепления с основой;
(о'кпс'/ммЪ Нц319«)‘мН/м: (2000 кгс/мм2), пористость S 0,5%.
* (Со) марки S-S4 Тоже..
Порошок 300*С. Покрытие обладает высокой прочностью сцепления с поверхностями деталей из чугуна, большинства алюминиевых сплавов, магниевых Z* ЕЮ МНЛ?Тп2 кгс/мм2), HpS ЗЙЮ МН/м2 (350 кгс/мм2).
2 Кртыир.ктч.жпи
4 медный (Со) 5-100 2000'С. Покрытие обладает высокой электропроводностью. Hgi 1500МН/м2 (150 кгс/мм2); пористость практически
Порошок (NK>) марки ПХ2ОН8О 5-56 Максимальная температура эксплуатации 1100*С. Покрытие обладает высокой прочностью сцепления с основой. механической обработало S 100 МН/м2 (10 кгс/мм2). HpS 1500 МН/м2 (450 кгс/мм2), пористость S 0.5%.
Порошок ПН7ОЮЗО. пнгоюзом 45-100 Максимальная температура эксплуатации 1500’С. Покрытие обладает высокой жаростойкостью я износостойкостью в окислительных средах, о г 100 МН/м2 (10 кгс/мм2) Ирг 4500 МН/мм2 <450
ПН75Ю23В I i и 'fe Им йЫ
НХ?6ОР4 (колмоной) Максимальная температура эксплуатации сопряженных деталей, стойкое к 80 МН/м2 <8кгс/мм2). Нр гИОкге/т2). пористость S 1.0%
хрома (СгСр о 15-35% (NICr) марки ПХ20Н80 1100‘С. Покрытие обладает высокой в г 50 МН/м2 (8 кгс/мм2). Hg Ъ 9хЮ МН/м2 (950 кгс/мм2) пористость S 1.5%.
2 Киыеммю»
15*35% NJCr ПХ2ОН8О
МИЛ? OOms/mA?*'’ ' “ Hp 2! 10500 кгс/мм2, пористость S 1,5%.
, I?? износостойкость, повышенная стойкость к (10,0 кгс/мм2) Х^МОО* МН/м2 (800 кгс/мм2), пористость £ 1,0%.
w 6ОО-7ОО*С. Покрытие обладает повышенной термостойкостью н химической устойчивостью в пресной в морской воде, водяном перегретом паре. ааг 80МНЛ,2 <8.0 кге/мн2). Нрг юооомн/н2 <1<хю хгс/юЛ.
твердого ВСНГ-88 агрессивных средах, а > 80 МН/м2 (8.0 кгс/мм2). Нр2*16000 МН/м2 (1690 кгс/мм2).
(AljOpr-OO, 4I. 7 980’С. Покрытие обладает высокой износостойкостью, коррозионной СОЛЯМИ», о Гм МНЛ? <3 жге/м2). Н|12 12000 МН/м2 <1200 ис/мм2).
IS Xpmu ирнтфвгош
механической титана СПО,) Хе
лишь твердости карбида вольфраме.
обнаруживает коррозионные аккумулирует влагу, находясь под высокое диэлектрическое сопротивление. а 1 30 МН/м2 (3,0 кгс/мм2), Ира 12000 МН/м2 (+1200 кгс/мм2). пористость £ 1.5%
Порошок механической — 980’С. Покрытие обладает повышенной износостойкостью при низких
В табл. 9.10 указаны возможные области применения разра-
ботанных фирмой Юнион Карбайд (США) детонационных по-
крытий при различных температурах.
Таблица 9.10
Температурные условия применения
детонационных покрытий
ТсмпегаптнмЯ araeuoi Мары }U»U4CIDtC
870-980’C°Ue UXM7A Изнашивание при
760-870’С LCO-103A фреттинг.
650-760‘С L-103A
Кроме того используют следующие детонационные покрытия:
“Triballoy 700" (50% Ni - 32% Mo - 15% Cr - 3% Si) и "Triballoy 700 +
+ 50% Cr3C2“, которые проявили улучшенные фрикционные
характеристики, особенно при высоких температурах.
2. Порошки для детонационного напыления
исходных порошковых материалов,
используемых для
•Mwqn нтэипдь
(АНЮ
дэпз пи 7
• оМ да».
К - 30-60 мкм
МС - 5-30 мкм
СК - 15-60 мкм
МК - 5-60 мкм
Свойства детонационных покрытий указаны
(сортности) порошка:
Характеристика детонационных покрытий
Таблица 9.11
77”: —'-Г
85WC-15CO 0,5 0.5 Обладает высокой износостойкостью, повышенной
А1Л 11000 25-30 2.0 950
65 Си.С, - 35 ALO, 85СгэС;-15А|Д sooo 90 1.0 1,0 1000 ^.«^“хТа^^х^Дх” х^“еНН,“
60 AljOj - 40 TiOj 9S00 35 2.3 700 Обладает полупроводниковыми свойствами, хорошей коррозвонностойкостью в морской воде.
x. Т"
псжнх 23Сг-18NI-59 Fe 7.» 1400 4000 700
применяются для восстановительного
пснл 30 Al-0,2Fe-69JNI 6.5 1600 16000 1500 работающие в окислительной среде прш
ПСТА 3SA 35 Al-(ЦЕе-б4£Т1 3.7 1460 13000
КОМПОЗИТЫ
пнхл (20 Сг - 80 Nl) В, Ai 1 м 1450 I 10450 | 750 1 Жаростойкие, износостойкие покрытия.
пил 100 Nl (В, Al) 1450 8000 700 1 Жаростойкие, износостойкие покрытия.
&
I------Г 3. ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ „ | !
ДЕТОНАЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ I ’
1. Детали газотурбинных двигателей.
1. Антивибрационные полки лопаток компрессора (упрочне-
ние или восстановление), выходной конфузор.
Материал покрытия: WC + 15-20% Со, КХН-30.
Интенсивность изнашивания падает на порядок по сравнению
с неупрочненным сплавом на основе титана.
2. Рычаги поворота лопаток, упоры, стопоры (упрочнение
или восстановление). - >
Материал покрытия: WC + 15-20% Со, Сг3С2 -10-15% Nl. I
Повышение ресурса работы в 3-4 раза.
I 3. Форсунки (упрочнение или восстановление). i
I Материал покрытия: N1-A1.
' 2. Детали звукозаписывающих устройств.
i Материал покрытия: АЦОу AljOj+TiOj.
! Срок службы повысится в 10-20 раз.
2. Hanpt
оси, тонвал.
Материал покрытия: WC -15-20% Со. AljO3+TiO2.
| 3. Детали машиностроения.
1. Ротор гидротурбины (упрочнение и восстановление поса-
д иных мест под подшипником и колес-шестерен).
Материал покрытия: ПН70Ю30.
2. Запорная арматура (упрочнение и восстановление).
Материал покрытия,- WC-15-20% СО. ВСНГН35, Cr3Cj.AljO3.
Материал покрытия: АЦО,- .
Ресурс работы увеличивается в 3,5-4,0 раза.
4. Пресс-формы литья под давлением. > д I - |
! Материал покрытия: Сг3С3. '
1 Ресурс работы увеличивается в 5 раз. I I
4. Детали химической промышленности.
1. Детали, работающие в концентрированном растворе КОН.
Значительно уменьшается интенсивность коррозии основного
2. Нерастворимые аноды, катоды электродов в электротех-
нических системах.
Коррозионные потери на 5-15% ниже. Кроме того, снижается
расход электроэнергии, в ряде случаев возможна замена платины.
5. Детали автомобильной промышленности.
I. Днища поршней и поверхности камер сгорания. -“’"и
Материал покрытия- А12О A1-N1.
Срок службы повышается в 2-3 раза.
2. Распредвалы, рычаг толкателя (упрочнение и восстанов-
Материал покрытия- WC + 15-20% Со.
Ресурс работы увеличивается а 2 раза.
3. Коленчатые валы (упрочнение и восстановление).
Материал покрытия: А1?ОГ НХ16СЗР4.
Ресурс работы увеличивается в 2,5 раза.
6. Детали судостроительной промышленности.
1. Пальцы, баллеры, валопровод (упрочнение и восставов-
мнис).
Материал покрытия-
Срок службы увеличивается в 2 раза. ,
туры.
Материал покрытия: AljO3 + TiO2.
3. Лопатки паровых турбин и детали насосов. в
Материал покрытия: ВСНГН35.
Срок службы увеличивается в 2,5-3 раза. , шле
7. Инструмент и технологическая оснастка.
I. Ножи вала фрезы для обработки асбестовых плит на
|к*йсмус1юм станке.
Материал покрытия- ВК-15, WC +15-20% Со.
Эксплуатационная стойкость повышается в 5 раз по сравне-
нию со стойкостью ранее применяемых ножей из высоколегиро-
Материал покрытия: ВК-15. а
Ресурс работы увеличивается в 6-7 раз, одновременно с этим и
(основа) на сталь г-
инструь
3. Подающие ролики сварочных автоматов.
Материал покрытия- ВК-15. <.кочмомВп
Ресурс увеличивается в 15 раз. Появилась технологичность
процесса сварки.
4. Медные электроконтакты (восстановление).
Материал покрытия- медь.
5. Теплоотводы для газопламенной и плазменной сварки
тонколистовых изделий.
Материал покрытия- АЦО3. м
На 20-25% снижаются электрозатраты, повысилась произво-'
дитсльность и технологичность процесса.
Материал покрытия: АЦО,. Al^O^+TiOj.
Срок службы увеличивается в 6-7 раз.
7. Зажимные цанги, кулачки патронов токарных сверлиль-
ных станков, зажимы мединструмента.
Материал покрытия: ВК-15.
Срок службы увеличивается в 3-5 раз.
8. Коммутация термоэлементов.
Материал покрытия: никель.
Повышается технологичность процесса.
9. Защита термопар (для научных
Материал покрытия: кварц.
Повышается точность измерения.
Л
1.10. Новые комплексные процессы ГТН
Расширение областей и объектов промышленного применения
ГТН происходит во взаимной связи с совершенствованием
материалов, технологических приемов, оборудования, а также
п|мщессов контроля качества и последующей обработки покры-
эм ул кровать задачи дальнейшего совершен-
ен оборудования) для ГТН. К этим задачам
I. Увеличение скорости напыляемых частиц.
частиц и основы).
3. Повышение производительности процессов.
4. Управление фазовым составом (фазовыми превращениями)
вещества напыляемых частиц и образуемого газотермического
соединений в процессе напыления путем управления химической
ГТН, повышение их КПД.
Решение этих задач происходит по трем основным направле-
- разработка новых технологий и аппаратов для их осущес-
твления;
- варьирование составом и давлением среды, окружающей
зону напыления;
В области электродугового напыления разработаны системы
электропитания с повышенной частотой (2...3 Мгц). Разработаны
также устройства формирования потока (специальные сопла) для
увеличения скорости потока частиц напыляемого материала и
его большего диспергирования. Разработаны специальные сверх-
звуковые сопла, позволяющие увеличить скорости воздуха и
Считалось, что при электродуговом напылении невозможно
получить покрытия, свободные от окислов. Для преодоления этого
ограничения использовалось электродуговое напыление в камере,
заполненной инертным газом, и сам процесс распыления велся
не воздухом, а инертным газом. В этом случае существенно
снижалось содержание окислов в покрытии, однако возрастало
и снижалась прочность сцепления с
основой. Поэтому следующим шагом явилось создание систем
электродугового напыления, работающих при пониженном давле-
нии инертной атмосферы в камере. В этих системах процесс
плавления проволочек дугой происходит в форкамере, где
давление воздуха выше, чем в объеме камеры напыления. При
этом обеспечивается надежное плавление и последующее фор-
мирование высокотемпературного газотермического потока. Про-
филированное сопло позволяет ускорить поток газа до сверхзву-
ковых скоростей, обеспечить большие скорости каплям напыля-
емого материала и, следовательно, повышает прочность
сцепления с основой. Кроме того, вследствие пониженного
давления в рабочей камере снижается газонасыщение и пори-
стость покрытий. Использование дополнительного дугового раз-
ряда, зажигаемого между проволоками и основой, на которую
ведется напыление, позволяет воздействовать на температурный
уровень процесса формирования покрытия, улучшая основные
свойства напыленного материала:
снижение пористости;
* — снижение содержания окислов; *! •
“ - снижение газонасыщения и т.п. ’ “
Стремлением повысить свойства покрытий вызвано примене-
ние устройств локальной защиты при плазменном напылении.
Эти устройства регулируют степень сосредоточенности пото-
ка, протяженность высокотемпературной зоны плазменной струи,
в определенной степени решают проблему неконтролируемых
реакций напыляемых частиц и покрытия с газами воздуха.
Устройства локальной защиты можно условно разделить на
следующие группы:
- устройства, воздействующие на периферийную часть напы-
- устройства для защиты области самого пятна напыления;
- устройства газовой защиты (покрывающего газа).
Устройства первой группы воздействуют на частицы, нахо-
дящиеся во внешней части потока, и поэтому обычно более сильно
окисленные, менее прогретые и ускоренные. Устройства, контр-
агирующис поток, повышают степень прогрева и ускорения
периферийных частиц; устройства других конструкций удаляют
некоторое количество периферийных частиц, сжигая их долю в
покрытии и, соответственно, повышая качество напыляемого
материала. Недостатком процессов напыления с использованием
таких устройств является некоторое снижение коэффициента
использования материала.
Устройства второй группы служат для защиты зоны форми-
рования покрытия (пятна напыления) от воздействия газов
цни инертного газа посредством насадки специальной конструк-
шщшпного (покрывающего) газа — газовой завесы - по внешней
границе газодисперсного напылительного потока. В этом случае
образуется область плотной концентрации двухфазного газотер-
мичсского потока, увеличивается длина его высокотемпературной
нериферии потока и, таким образом, осуществляется защита
защитных газов, хотя несомненным достоинством этого способа
является независимость его от размеров и формы поверхности
напыляемых деталей. Поэтому практически все устройства
локальной защиты выполняются в виде защитных кожухов.
.эксплуатационных свойств покрытий посредством использования
химического состава и давления окружающей среды валяется
метод плазменного напыления в среде высокого давления, под
слоем воды. Плазменное напыление в среде высокого давления
имеет преимущество в том, что в этих условиях улучшаются
условия нагрева и ускорения частиц напыляемого материала.
Недостатки с благоприятными условиями для газонасыщення
напыляемого материала. Поэтому параметры процесса должны
выбираться, исходя из конкретных требований к покрытию.
Недостатки, связанные с газонасыщением, устраняются при
плазменном напылении под слоем воды. В этом случае напыление
ведется с коротких дистанций, повышенный нагрев напыляемой
|юверхности снимается хорошим теплоотводом в массу воды. Этот
способ разработан для восстановления поверхности и защиты от
коррозии поверхностей конструкций подводной части нефтяных
буровых платформ.
ятельно диктует появление новых разработок в технологии и
оборудовании, совмещающих в себе преимущества детонацион-
ного и плазменного напыления. Эти разработки можно условно
разделить на два больших направления:
- использование технологий и установок сверхзвукового газо-
пламенного напыления;
- использование технологий и установок плазменного налы-*'
а) повышенной мощности в нормальной атмосфере, -
6) обычной мощности в разреженной контролируемой.
Технология сверхзвукового газопламенного напыления и обо-*
рудование для нее предполагают ускорение частиц напыляемоГОб
материала в сверхзвуковом газовом потоке, генерируемом в
энергии сгорания углеводородов (как правило, пропана) в
кислороде (или в воздухе). Процесс может быть непрерывным,
квазинепрерывным. Основным отличием от детонационного на-
пыления является более высокая температура частиц порошка
эста (80...150
сопла-анода
позволяет проводить напыление частицами, ускоренными до
Процесс ведут в открытой атмосфере при скоростях газового
потока в 1-2 М. В случае использования вакуумных камер
(“динамического вакуума") сверхзвуковые условия истечения
реализуются при обычном уровне мощности плазматрона.
Разработаны плазматроны, использующие в качестве плаз-
мообразующего газа смесь углеводородов (природный газ) с
энтальпийная плазменная струя. С помощью соответствующего
профилирования сопла-анода реализуется сверхзвуковой режим
и повышенные скорости частиц. Возможно
сса напыления этим плазматроном в камерах с
разреженной контролируемой атмосферой.
Разработаны также следующие более сс
тнвные методы:
1) Плазменно-дуговое напыление, при котором плазменная
струя создается с помощью электрической дуги. Выполнение этого
метода возможно с применением порошкового или проволочного
электрода. Способ позволяет получать покрытия, пористость
которых находится в пределах от среднего до высокого уровня,
с относительно слабым сцеплением таких покрытий с подслоем.
2) Высокоскоростной метод нанесения покрытий с помощью
низкого уровня, однако встречаются отдельные участки с доста-
точным уровнем пористости. Сцепление покрытия с подслоем
значительно выше, чем у покрытий, нанесенных газоплазменной
металлизацией.
3) Ациталено-хислоролное детонационное напыление. Метод
позволяет получать покрытия с более прочной связью с подслоем,
чем другие способы напыления, однако данный процесс является
относительно дорогостоящим.
4) Метод получения покрытий плавлением. Покрытие, полу-
ченное газоплазменным или плазменным напылением, наплавля-
ется или наваривается на основание. Однако переход к жидкой
фазе при плавлении сопровождается захватыванием газа и
усадочной пористостью. Диффузия на границе сопряжения
сцеплснне данных элементов. И тем не менее, реакция оплав-
ления обладает рядом недостатков.
Во-первых, покрытие и основание зачастую объединяются
элементами, играющими важную роль в их конечной функции -
я пределы покрытия, тем самым понижая прочность основания
па границе сопряжения. И, наоборот, перемещение хрома из
покрытия в основание сказывается на снижении характеристик
покрытия. Подобные частицы добавляются для повышения изно-
состойкости покрытия, и указанное свойство, как таковое,
снижается в результате обычного оплавления. Оставшиеся час-
воздействием гравитационных или флотационных сил, снижая
тем самым однородность твердых частиц в пределах матрицы.
Наконец, переплавка покрытия может значительно отразиться
<|юрмирование локализованной жидкой пленки способствует по-
явлению, во время охлаждения, высокого поверхностного напря-
жения, а при сложных конфигурациях возникает опасность
<|х>рмнрования неравномерной толщины покрытия, благодаря
наличию гравитационных сил и сил поверхностного натяжения
и, вдобавок, возможной деформации компонента.
5) Высокочастотное электродуговое напыление. При высоко-
частотном (ВЧ) электродуговом напылении плавление металла
происходит в результате индукционного нагрева, основанного на
использовании электромагнитной индукции, поверхностного эф-
фекта и теплового действия тока лишь в поверхностном слое
небольшой глубины. Сжатый воздух сдувает каплю расплавлен-
ного металла к концу проволоки, отрывает ее и распыляет.
родуговым напылением.
6) Разработан метод, который дает возможность нанесения
покрытий с ламинарной структурой, лишенной пористости и
границ, включающих частицы; такое покрытие обеспечивает
прочную металлическую связь с подслоем. Технология, именуемая
НУ-PAC (фирма “Плазма Коутиигс-Великобритания'), представ-
обработки.
высокочастотного оборудования, исполь-
эующего плазменное напыление, должно быть подчинено законам
газовой динамики, в то время как вид термообработки зависит
от сплава, применяемого в качестве материала покрытия.
Используется данная технология на предприятиях аэрокосми-
ческой и автомобильной промышленности, а также и на пред-
приятиях химических, где с помощью беспористого покрытия
обеспечивается защита оборудования без участия газотермиче-
ских материалов. Нижеприводимые примеры являются иллюст-
рацией достоинства нового метода:
а) Карбид титана-кобальт.
Данный материал газотермич»
менным напылением, при котором образуется защитный слой,
имеющий коррозионные характеристики. Такое покрытие обычно
сопряжения покрытия и основания, что приводит к отслоению
покрытия. Поскольку структура покрытия и его сцепление и
основанием носит механический характер, эффекты расширения
и сжатия, вызываемые циклическим изменением температуры,
способствуют возникновению температурных напряжений между
частицами и по границе сопряжения, давая возможность кисло-
роду проникать через покрытие.
Благодаря отсутствию сопряженных частиц между порами и
частицами и осуществлению диффузионного сцепления с по-
мощью НУ-РАС-мстода удалось увеличить долговечность покры-
б) Медные сплавы и карбид кремния.
Поверхность дискового или барабан»
лоза, покрытая
материалом с основанием из меди, содержащим частицы вторич-
ной фазы, сочетает в себе неплохие теплопроводящие свойства
и износостойкость. Перед нанесением покрытия на подслой
накладывается, с целью усиления сцепления, слой из алюминида
никеля или молибдена, наносимый обычными методами.
Применяя НУ-РАС-метод, можно обеспечить нанесение на
основание износостойкого покрытия из напыляемого материала
на базе медных сплавов, позволяющего получить максимальный
эффект рассеивания тепла при трении, благодаря наличию
металлической связи на границе сопряжения и отсутствию
пограничных отрезков, включающих частицы. Такая система
устранит необходимость применения защитного покрытия.
Аналогичный способ может применяться для нанесения по-
крытий на основание из алюминиевого сплава, что позволяет
Укрупненная классификация показателей качества деталей с
газотермическим покрытием по этапам процесса и видам конт-
роля показана в табл. 10.1.
2. Вакуумные методы нанесения покрытий и
способы очистки поверхности покрытий
2.1. Разновидности методов и применяемое
оборудование
Одним из основных направлений решения проблемы повыше-
ния эксплуатационных характеристик материалов и изделий
является усовершенствование уже имеющихся и создание новых
высокоэффективных вакуумных методов нанесения качественных
покрытий самого раз.
к, корро-
зионно-стойких, жаропрочных и др.). Основные требования,
предъявляемые к покрытию и методу его нанесения, это высокая
прочность сцепления с основой, высокая плотность и заданный
состав, возможность осаждения покрытий равномерной толщины,
экономичность и технологичность процесса.
Достоинствами вакуумных методов нанесения
ляются возможность кристаллизации вещества в :
рсгулируе
коростей ।
широком
"гвие ограниче-
ний в смешивании различных материалов в паровой фазе,
возможность вводить в металлическую матрицу высокодисперс-
ные частицы упрочняющей фазы с очень равномерным их
распределением по объему матрицы, чего нельзя достичь с
помощью порошковой металлургии. При наличии ионизованного
потока металлического пара и напуске реактивного газа в
вакуумную камеру можно получать в зависимости от парциаль-
кого давления газа
или стсхиометриче-
СКОРО состава покрытия из таких тугоплавких соединений, как
нитриды, окислы, карбиды и т.д. в результате протекания
плазмохимичесхнх реакций.
В настоящее время в зависимости от конкретно решаемых
технологических задач применяются различные вакуумные мето-
ды нанесения покрытий термическим испарением, ионным рас-
пылением, активированным реакционным испарением, ионным
денсацией с ионной бомбардировкой, ионно-лучевым модифициро-
. ванием, а также осаждением покрытий из газовой фазы в вакууме.
В табл. 1.1. приведены характерные (ориентировочные)
, параметры различных процессов нанесения покрытий. Для срав-
нения приведены параметры термовакуумиого процесса нанесения
покрытий.
• Принципиальная схема систем вакуумного нанесения покры-
> тий приведена на рисунке 2.1.
Характерные параметры различных процессов нанесения покрытий
Харктсршс шршпры пресса Методы шмессям покрытый при ПСЫОПО1
XZT Т™1” (кмплаяташм)
м^лГв'н 0.5-2,0 0,03-2.5 0,5-i.O 0.S-1.0 0,1-ол 0.1-0.2 0 Л-1.0 0,2-2,0
Толщина покрытий или глубина 2-50 1-10 2-20 2-20 2-20 10-20 0,3-2 2-20
Мшшмзлывя температура подложи.. 250-500 250-400 250-500 250-S00 150-400 50-400 250-400
500-1000 50-400 (до МП 50-400 50-400 50-400 10-400 50-400
поверхности, см2
Мощность установки. кВт 5-75 5-75 5-70 5-50 5-100 5-40
Напряжение, кВ 0.1 1-5 1 1 1 0,4-2 1
Процент ионизации 0.1 25 1-29 2-30 80 100 20-95
ч.Нс™ц’а,в“6“М'°ШИХ “ П0ДЛ0“У ОЛ 10-50 20 20 20-50 5- 10* 5- 10s
покрытий.
288
II тех случаях, когда с поверхностью твердого тела взаи.мо-
м»й1 будут иметь место различные процессы, которые в значи-
11ри энергии менее 5 эВ ион либо отражается от облучаемой
in ни* рх пости, либо переходит в термодинамическое равновесие с
ной, п :штем десорбируется. В этой области энергий состояние
П|инылимодсйствовавшего с поверхностью иона описывается с
помощью коэффициента прилипания и передачи импульсов.
HinoMtM твердого тела (энергия возбуждения атома или иона),
пн как ее значением определяются электронные переходы,
вызывающие эмиссию вторичных электронов или разрыв (вос-
наповлснис) химических связей, имеющихся на поверхности
нплегающих ионов перемещаются в новые положения, что
приводит к поверхностной миграции атомов (перемешиванию) и
При энергиях ионов 12-40 эВ (в зависимости от природы
выбивание поверхностных атомов мишени, т.е. распыление
мишени.
При энергиях ионов выше 100 эВ они начинают внедряться
в верхний слой кристаллической решетки мишени, причем
структура и ориентация кристаллитов мишени являются важными
По мере увеличения энергии ионов глубина внедрения
решетки уступают место объемным. Вследствие этого начинается
и при энергии ионов, превышающей 5 эВ,
она становится доминирующим процессом.
Для различных целей используются ионные пучки соответст-
вующих энергий. Так, для очистки и травления поверхности
твердого тела необходимы пучки с энергией ионов от нескольких
единиц до нескольких сотен электрон-вольт. Для ионно-плазмен-
ионных покрытий и имплантации ионов в растущие пленки
необходимы пучки с энергией ионов от десятков до тысяч
Для получения качественных покрытий необходимо гибкое
управление процессами вакуумного нанесения покрытий посред-
ытия (Vu) определяется следующими
формулами.
Sp - площадь распыления,
L - дистанция напыления,
а - угол между направлением потока частиц и нормалью к
плоскости напыления,
и нормалью к
1 Из
следует, что общими парамет-
сть и площадь распыления, а также направление потока
Применяются системы ионного нанесения покрытий. Системы
ионного нанесения покрытий (см. далее схему), в которых
генерация наносимого материала в газообразном состоянии
осуществляется в результате термического перевода твердого
вещества в парообразное, получили название ионно-термических
(среди них распространение нашли электронно-лучевые системы
и системы нанесения покрытий из плазмы с горячим катодом.
Другие системы, в которых генерация потока частиц наносимого
вещества производится ионным нанесением (распылением), полу-
чили название холодных систем (или систем нанесения покрытий
из плазмы с холодным катодом}. Такое деление напылительных
систем в достаточной мере условно, так как существуют системы,
по двум рассмотренным механизмам (например, магнетронное
распыление из жидкой фазы). гв
Системы ионного нанесения покрытий.^
2.2. Промышленное технологическое оборудование
для нанесения покрытий
ные напылительные установки для ионного распыления (МИР-1,
МИР-2), реактивного электронно-плазменного напыления, назы-
ваемого РЭП (ЭПН-3, ЭПН-12), и конденсацией ионной
бомбардировкой (“Пуск", “Юнион", ВУ-1Б, ВУ-2Б, ИЭТ,
ННВ). Основным назначением практически всех установок
является упрочнение режущего инструмента. Однако они при-
годны и для нанесения покрытий на детали самого широкого
назначения. Применяются системы вакуумного нанесения из
плазменной фазы (рис. 2.2.)
Основные технические данные отечественных промышленных
напылительных установок представлены в табл. 2.1.
Таблица у
Характеристики вакуумных ионно-плазменных ,
установок, реализующих методы РЭП (ЭПН-3) и
магнетронного распыления (МИР-2)
ьного способа очистки поверхности
Качественное нанесение покрытий невозможно без предвари-
Шлыюй очистки поверхности инструмента от загрязнений. Даже
щнничительные следы загрязнений заметно увеличивают опера-
HNoiiiKH- нрсмя на установке и ухудшают качество и износостой-
ки । к нппыленного слоя. Поэтому разработка и внедрение
нт имилыюго технологического процесса очистки является сущес-
качество работ по напылению.
Обычные виды подготовки поверхности, предшествующие
нению металлических покрытий, подразделяются на механи-
kiic и химические.
Механическая подготовка (например, ручная и механизиро-
nnu очистка щетками, полирование и т.п.) применяется для
n f!
Химическая подготовка (например, электрохимическое и
Mtn чнных загрязнений, а также коррозированной поверхности
К :пим “классическим" способам удаления загрязнений в
Ini ।нищее время прибавились способы ультразвуковой очистки,
чистки ионной бомбардировкой и очистки в парах испарения.
11|х.*имущества ультразвуковой очистки по сравнению с обыч-
ными "классическими" способами, следующие:
мснъшая продолжительность процессов;
возможность очистки изделий сложного профиля с глубо-
кими и глухими отверстиями малого диаметра.
В качестве моющих сред при ультразвуковой очистке обычно
«н/ф'ств, растворы кислот, органические растворители, эмуль-
сионные составы. Например:
- состав А: тринатрийфосфат - 30 г/л; ОП-7 - 5 г/л; 806 а.
- состав В: кальцинированная сода - 20 г/л; тринатрийфос-
- состав В: лабомид 101 - 35 г/л
Для технологического процесса ультразвуковой очистки в
кпчестве моющей среды следует применять тринатрийфосфат,
кальцинированную соду, ОП-7 или лабомид-101.
Сушка является заключительной и важной операцией техно-
логического процесса очистки. Высокая степень очистки обеспе-
вает отсутствие любых, в том числе и пассивирующих пленок
на поверхности инструмента перед вакуумным ионно-плазменным
напылением. Это определило задачу выбора оптимального режима
и способа сушки: электротермический - в сушильном электри-
ческом шкафу или конвективный в потоке теплого воздуха.
Малое время сушки конвективным способом и, как следствие,
быстрое удаление влаги с поверхности эффективно противодей-
ствует окислению в случае своевременного начала ионной
очистки.
НИИТавтопромом разработаны полуавтомат дм ультразву-
ковой мойки модели 2865 и технологический процесс очистки
инструмента перед напылением.
Технологический процесс, внедренный в инструментальном
производстве Нижегородского автозавода, включает следующие
операции:
- ультразвуковую очистку;
- 1-ую струйную очистку пассивирующим раствором;
® - 2-ую струйную очистку пассивирующим раствором;
- промывку в дистиллированной воде;
' - сушку.
Первые четыре операции осуществляются полуавтоматом
J модели 2865, а пятая (сушка) - вручную, оператором.
; Необходимо сразу же после сушки приступить к ионной
> очистке инструмента на установке ПУСК. В случае задержки, а
; также для целей контроля качества ультразвуковой очистки
I поверхность инструмента протирается белой тканью (желательно
I батистом), смоченной в спирте.
| Данные по выбору оптимального способа очистки инструмента
приведены в таблице 1.3, вз которой видны явные преимущества
ультразвуковой очистки (как по качеству, так и по производи-
тельности).
Ионная очистка осуществляется путем катодного распыления
, поверхностного слоя обрабатываемого материала ионами плазмы
вакуумной дуги, ускоренными до энергии 0,5-3 кэВ в дебаевском
слое, примыкающем к подложке. В процессе ионной бомбарди-
ровки поверхность подложки подвергается интенсивному ионному
травлению, удаляются окислы, загрязнения, сорбированные газы.
' . Одновременно частицы испаряемого материала катода внедряют-
ггный слой. При
подложку и нась
этом “залечиваются" поверхностные дефекты и поры.
Таблица 2.2
Результаты экспериментов по выбору оптимального
способа очистки
и распыляемых ато»
падения частиц иа подложку, строения поверхности подложки и
•с предшествующей обработки. Он возрастает по мере увеличе-
ния массы и энергии бомбардирующих ионов вплоть до значений,
при которых ион проникает настолько глубоко, что воздействие
ни атомы подложки уже не приводит к их отрыву от поверхности.
Наибольший коэффициент распыления достигается при бомбар-
дировке под углом 60-70’. В зависимости от угла падения он
может меняться в 2 раза.
С увеличением дозы ионов (плотности ионного тока) коэф-
ного значения. Одновременно увеличивается число дефектов и
инородных атомов в поверхностном слое подложки, что ослабляет
связь между собой ее атомов
повышении давления остаточных газов скорость распыления
снижается, так как часть распыленных атомов в результате
столкновения с атомами газа возвращается на подложку.
Если подложка состоит из атомов, имеющих различную
распыляемость, ионная обработка может привести к образованию
"островковой" структуры с характерными конусами из материала
с более низким коэффициентом распыления. Если бомбарди-
рующие частицы образуют с атомами соединения, го имеет место
химическое распыление, повышающее эффективность физическо-
Поскольку распыление приводит к удалению поверхностного
слоя, его называют ионной очисткой или ионным травлением. В
случае использования газов, взаимодействующих с материалом
подложки, процесс называют реактивной плазменной очисткой
или травлением.
Ионная орбработка существенно изменяет топографию повер-
хности, увеличивая ее шероховатость. Обычно она зависит от
дозы ионов, их энергии, угла падения, а также от кристаллогра-
фической структуры и содержания примесей.
Бомбардировка ионами низкой энергии может привести к
насыщению поверхности инертными газами, концентрация кото-
рых способна достичь нескольких процентов, что при после-
При нагреве
дующем отжиге вызывает
подложки в процессе ионной обработки происходит дегазация
материала.
Основная часть энергии ионов переходит в тепловую, вызывая
нагрев поверхности подложки. Ее температура определяется
массой подложки, термическими свойствами системы, энергией
и плотностью бомбардирующих ионов.
Повышение энергии взаимодействия
ару»
мов с подложкой ограничивает их подвижность и тем самым
увеличивает число зародышей, что способствует формированию
непрерывного монослоя на поверхности подложки. Благодаря
этому устраняется пористость в формируемом покрытии. Ионная
бомбардировка позволяет удалить загрязняющие слои, которые
препятствуют диффузионному взаимодействию покрытия с под-
Обычно ионная очистка производится при достижении в
отрицательного потенциала на изделие 1,0... 1,2 кВ. Сила
ионного тока в цепи подложки зависит от силы тока дуги и
большое значение имеет соблюдение требуемых режимов ионной
очистки. Дело в том, что эффективное распыление подложки
сильно зависит от приложенного к ней напряжения, вакуума и
материала наносимого покрытия. В области малых энергий ионов
преобладает процесс конденсации; с увеличением энергии возра-
стает роль распыления. При определен
ионов эти процессы уравновешиваются.
'НИЯХ энергии
Продолжительность и режим ионной бомбардировки выбирают
•iwpiMH бомбардирующих ионов расходуется на катодное распы-
wiiiic, а остальная часть энергии ионов затрачивается на нагрев
подложки. При ионной очистке конструкционных материалов с
нуи* плотность потока мощности на подложку. Снижение мощно-
«ти возможно уменьшением либо потенциала подложки, либо
Milliioro тока. Уменьшение потенциала подложки снижает эф-
||«гвтнвность ионной бомбардировки (коэффициент распыления
«илист), поэтому реальный путь снижения теплового эффекта в
тмгпыпении средней плотности ионного тока при сохранении
приемлемых скоростей распыления. Изменение средней плотности
ио«....го тока возможно путем применения плазмооптических :
нитрирующих и фокусирующих систем, а также путем перио-
дического (во времени или пространстве) прерывания потока
«пряженных частищ
Обычно продолжительность ионной бомбардировки твердосп-
'«(I иного инструмента составляет 3-7 мин. при непрерывном
режиме. Для быстрорежущих и конструкционных сталей она
раина 2-5 мин. при циклическом режиме (рекомендуемый цикл:
бомбардировка 2-4 с, пауза 3-5 с).
Процесс очистки ионной бомбардировкой, обеспечивая полу-
ч«ч«ие высокой адгезии покрытия к подложке, приводит к
повышению температуры подложки, что в свою очередь является
важным фактором в получении качественных покрытий. Бомбар-
д««|ювка ионами в процессе осаждения приводит в начальный
момент к появлению псевдодиффузионной зоны, обеспечивающей
мо)юшее сцепление, а в дальнейшем - к изменению структуры
покрытия. С возрастанием интенсивности ионной бомбардировки
уменьшается величина зерна покрытий и преимущественная
ориентация изменяется с [111] на [110].
НИИТавтопромом разработан метод очистки в парах испари- .
теля. При этом методе вначале производят очистку в жидком
трихлорэтилене, затем в его парах, которые получают в
оборудования' применяют моечный агрегатарованный комплекс
МАК. Вместимость ванн 80 л, загрузка 20 кг, 1=60...80’С, .
продолжительность очистки 15-20 мин.
Разработана модульная линия очистки. Состоит она из ;.
четырех модулей: первый обеспечивает очистку в моечных
средствах; второй - ополаскивание; третий - сушку горячим
воздухом; четвертый - ополаскивание в органических раствори- .
телях (сначала в жидком, затем в его парах).--
»? w
Очистка в парах дает гарантию окончательной очистки. *
Применяется замкнутый цикл. Выбросов в атмосферу нет, т.е.
Нанесение покрытий термическим испарением
Покрытия в вакууме получают конденсацией напыляемого
материала на поверхности изделия. Для этого материал покрытия
испаряют. Особенность процесса в том, что покрытие образуется
1 из атомов или ионов или же тех и других частиц одновременно.
Поэтому для получения покрытий сложного состава из атомов
1 различных элементов испарение проводят одновременно из
’ нескольких источников, а паровые потоки смешивают. Поскольку
• потоки пара способны смешиваться в любой пропроции, покрытие
может состоять из любых компонентов независимо от их взаимной
в растворимости в твердом или жидком состоянии. Конденсацией
получают покрытия из различных сочетаний металлов между
J собой, металлов с оксидами, карбидами, нитридами, другими
• химическими соединениями, также наносят покрытия из стехио-
- метрических соединений. Изменяя во времени производитель-
ность и интенсивность потоков пара, регулируют структуру
покрытия, получая микрослойные, многофазные, микропористые
• дисперсно-упрочненные и другие виды покрытий.
Образование покрытия конденсацией определяется последова-
тельным течением ряда сложных физико-химических процессов:
1) испарением исходного материала покрытия;
2) направленным массопереносом в виде потока атомов или
ноков материала покрытия на поверхность основы;
3> соударением потока с поверхностью и последующей
обсорбцией или десорбцией атомов или ионов на ней;
4) поверхностной диффузией атомов к местам предпочтитель-
ного образования зародышей покрытия;
5) миграцией и коалесценицией зародышей и ростом зароды-
шей - островков до срастания;
6) отрастанием островков в сплошную пленку;
7) ростом сплошной пленки и образованием покрытия
необходимой толщины.
Распыление материала покрытий осуществляется посредством
его термического испарения. Наиболее высокая эффективность
испарения достигается при нагреве материала выше температуры
э образование потока с достаточ-
<ей частиц и испарение твердого
материала (хром и др.).
Для нагрева распыляемого материала при термическом напы-
лении применяют различные источники теплоты: резистивные,
электронный и лазерный луч, индукционные. В соответствии с
чгим различают способы напыления покрытий термическим
Ni'мирением. Для любого способа напыления необходим испари-
fHif'iK Его назначение - удерживать расплавленный материал при
|рмпературе, достаточной для получения требуемого давления
•1А|м>н (1-100 Па). Для большинства материалов, представляющих
от ЮОО’С.
Практический интерес, эти
туры
Наиболее чистый поток пара обеспечивают локальные способы
iiiifpeea и удержания расплавленного материала. При других
способах нагрева неизбежно контактирование расплавленного
материала либо с материалом тигля, либо с материалом нагре-
ва юля - прямой резистивный нагрев. При “контактном” нагреве
Необходимо обеспечивать минимальную степень взаимодействия
расплавленного материала с тиглем или нагревателем. Кроме
loro, материал тиглей и нагревателей следует выбирать с
Незначительной упругостью паров с высокой стабильностью
Состава. При соблюдении названных требований удается избегать
Суищственного загрязнения покрытий примесными частицами.
Наиболее
атель эффективности процесса -
лого материала. В общем случае
Вес материалы способны к испарению при температуре выше
абсолютного нуля. Условно принято считать температуру испа-
рения такой, при которой давление насыщенных ларов составляет
1,33 Па. Давление насыщенных паров ОД как известно, опреде-
ляется уравнением Калузиуса-Клапейрона.
КПД,
Большое влияние на скорость исп
питав потока частиц и качество покрытий оказывает конструк-
ция испарителя. Прежде всего испаритель должен обеспечивать
минимальные тепловые потери от испаряемого материала.
Общим параметром режима работы испарителя является
.электрическая мощность, подводимая к источнику теплоты. С
мощностью источника теплоты, распределением ее по поверхно-
сти нагрева связана температура испаряемого материала и
поверхность испарения. Эти показатели в наибольшей мере
ответственны за производительность процесса. В практике напы-
ления реализуются мощности источника (электро) питания от
0,5 до 200 кВт.
Давление насыщенных паров и скорость испарения при
выбранном материале зависит от температуры поверхности
ем мощности источника теплоты доводят
> материала до значения, при котором
испарения. Регули
температуру испа
р0 2 1,33 Па. С увеличением температуры испаряемого материала
давление насыщенных паров резко возрастает. В таблице 2.3
приведены рекомендуемые температуры испарения различных
материалов для достижения давления насыщенных паров, равного
Таблица 2.3
Рекомендуемые температуры испарения различных
материалов для достижения р0 = 1,33 Па.
Материл 1 .’С 1 'С t . -с Mnqxu . *с । . *с «
264 320 767 Вольфрам 3230 3345 5930
Свинец 715 327 1744 Хлористый натрий 670 800.8 1465
Серебро 1030 960 2212 Хлористый магний ИЗО 1263 2270
Алюминий 1220 660 2370 Диоксид кремния 1250 1993 2250
1260 1083 1595 Фтористый кальций 1300 1418 2530
Золото 1400 1063 1530 Диоксид алюминия 1800 2320 3250
Хром 1400 1845 1508
Никель 1530 1455 2730
Титан 1750 1672 3260
Платина 2100 1760 4410
Молибден 2530 2622 4804
давление
„ температура поверхности изделия.
Давление в камере <рж) выбирают от 10'2 Па и ниже.
Дистанция напыления выбирается в пределах 150-250 мм.
Температура поверхности напыляемых изделий наибольшее
покрытий и их структуру. Невысокие температуры (менее 0,3 от
температуры плавления распыляемого материала) способствуют
формированию на поверхности изделий слабо сцепленных по-
крытий с низкой когезионной прочностью.
В таблице 2.4. приведены минимальные значения температуры
напыляемых изделий для различных сочетаний материалов
покрытия и изделия.
Таблица 2.4.
Минимальные температуры (“С) напыляемых изделий
для различных сочетаний материалов изделия
и покрытия
Мятсршл пежрытил Материя way так
Си Мо Ft Nb Nl
МниЛден 650 500 750 350 400 400
Х|*<м 650 450 700 600 - 400
М< -)* 400 450 400 350
350 500 350
плотность потока 10“ - 10“ частиц/оГ^ средняя кинетическая анергия 0,2-0,5 эВ; степень ионизации 0,01-0,1%. Высокая плотность потока частиц обеспечивает повышенную производительность процесса. Скорость роста покрытий достигает 1 мкм/мин и выше.
Нагрев распыляемого материала осуществляют джоулевым
риалу происходит или непосредственно, или через стенку тигля.
разделяются на проволочные, ленточные, лодочные и тигельные.
Нагрев и расплавление материала может осуществляться высо-
кочастотным индуктором. При испарении материала образуется
Процесс ведут, как обычно, в жестких герл
различных по конструктивному исполнению.
а) - с независимыми вакуумными системами рабочей камеры
и камеры электронной пушки;
б) - с совмещенной вакуумной системой.
Сущность нагрева заключается в электронной бомбардировке
поверхности расплавляемого материала. Кинетическая энергия
электронов расходуется, в основном, на нагрев и испарение
материала.
Наиболее значимым параметром процесса при электронно-лу-
чевом напылении покрытий является мощность луча.
Термические испарители (распылители) применяют в уста-
Широкое разнообразие конструкций испарителей обусловлено
многими факторами, которые нсо
при выборе
того или иного испарителя определяется:
- химической природой испаряемого материала;
- исходной формой испаряемого материала (монолит, поро-
шок, проволока и др.);
- качеством загрузки;
- диаграммой направленности парового потока;
Наиболее просты в изготовлении и эксплуатации испарители
резистивного типа с прямым нагревом. Их выпускают промыш-
ленным способом, и они имеют самые разнообразные формы и
размеры.
Широко применяются также резистивные испарители с кос-
венным нагревом распыляемого материала. В таких устройствах
ее распространение получили
испарители тигельного типа с наружным резистивным нагревом.
производительность процесса и стабильность температуры испа-
ряемого материала.
Большой интерес представляют сублимационные испарители
с косвенным нагревом. Достоинством таких испарителей является
полное отсутствие контактирования испаряемого материала. Суб-
лимационные испарители отличаются невысокой производитель-
ностью, пригодны только для ограниченного количества испаря-
емых материалов.
Испарители с ВЧ-
в основном, состо-
ят из тигля и расположенного по наружной поверхности
индуктора.
Для расширения возможностей метода наряду с однотигель-
ными испарителями применяют и многотигельные. В этих случаях
используют различные схемы индукторов. Наибольшее распро-
В настоящее время в испарителях
два типа электронно-лучевых пушек:
ичный поток электро-
чок электронов в цилиндрический.
Установки для вакуумного напыления покрытий термическим
ис парением. Применяют несколько типов, различающихся между
собой способом нагрева испаряемого материала. Это установки
г резистивными, электронно-лучевыми и ВЧ-индукционными
и< парителями.
Установки с резистивным нагревом получили достаточно
шн|юкое применение в практ
различного
Установки электронно-лучевого напыления покрытий пред-
ртлнляют собой достаточно сложные и энергоемкие агрегаты,
отсчитанные на непрерывную работу в течение 10-15 ч и более,
л нашей стране разработан ряд промышленных и эксперимен-
тплмшх установок с электронно-лучевыми испарителями. Из них
нпибольшее распространение получили установки УЭ-137 и
У'1-175, разработанные в ИЭС. Мног
испари
линейным расположением источников позволяет напылять ком-
позиционные, жаростойкие, теплозащитные и другие покрытия.
Предварительный электронный нагрев изделий осуществляет-
ся во вспомогательных камерах, расположенных по обе стороны
пт рабочей камеры. Предусмотрена автоматическая система
контроля и управления технологическим процессом испарения на
бпзе мини-ЭВМ.
крулногабаритных тел вращения диаметром до 2,5 м и высотой
до 2 м созданы установки типа УТН. Наметились тенденции к
оснащению электронно-лучевых испарителей устройствами для
ионизации потока пара.
Установки с электронно-лучевыми испарителями получили
большое распространение для напыления конструкционных по-
крытий на различные изделия электронной техники. В частности,
широко известны установки УВН-73П-5; УВН-83-1; “Лада-5” и
др. В них использованы цилиндрические горизонтальные камеры
г держателями напыляемых изделии барабанного типа и верти-
кальные колпаковые камеры с транспортирующими устройствами
К ионно-термическим системам нанесения покрытий относятся
и системы, реализующие так называемые ионно-кластерный и в
меньшей мере - автоэмиссионный методы.
Ионно-кластерный метод заключается в конденсации иони-
зированного потока многоатомных частиц (кластеров). Испаряе-
мое вещество помещается в разогреваемый тигель, в котором для
выхода потока молекулярного пара в вакуум имеется одно или
несколько отверстий (сопел) малого диаметра. Кластеры образу-
ются в результате адиабатического расширения пара при его
резистивным методом либо с использованием дуги низкого
давления. Число атомов в кластерах составляет Кг-103. Иони-
зация их осуществляется электронным пучком, эммитируемым
нитью накала. Ионизированные кластеры ускоряются электричс-
ским полем по направлению к
кое поле
создастся между подложкодержателем и тиглем. Поскольку
сечение ионизации кластеров больше, чем атомов, достигается
достаточно высокая степень ионизации.
Автоэмиссионный метод нанесения покрытий. Если металли-
ческая проверхность (эммитер) находится под высоким положи-
тельным потенциалом относительно расположенной вблизи нее
диафрагмы (экстрагирующего электрода), то под действием
электрического поля за счет электростатических сил может
возникнуть эмиссия положительно заряженных частиц
Обычный метод получения пленок термическим испарением
можно легко преобразовать в метод автоэмиссионного распыле-
ния. Для этого вблизи испарителя, находящегося под высоким
положительным потенциалом, располагается заземленный экстра-
гирующий электрод. Испарителем может служить либо одновит-
ковая или многовитковая спираль, либо тигель, вблизи дна
которого располагается вибратор для создания на поверхности
расплавленного вещества заостренных выступов.
2.3. Нанесение покрытий ионным распылением
Для нанесения покрытий можно создавать атомные, молеку-
лярные потоки путем ионного распыления материала в твердом
состоянии, не доводя его до расплавления. Метод ионного
распыления заключается в бомбардировке ионами газоразрядной
плазмы мишени из наносимого материала и осаждений распылен-
ных частиц на поверхность изделий. Системы распыления
классифицируют по количеству электродов (диодные, триодные,
тетрадные, см. таблицу 3.1 и рисунок 2.2), по виду используе-
мого напряжения (постоянное, высокочастотное}, по наличию
или отсутствию потенциала на подложке (со смещением, без
смещения). Явление ионного распыления впервые наблюдалось
и поэтому было
как разрушение катода в i
названо катодным распылением. Характерно, что скорости
распыления у большинства материалов различаются не более,
чем на порядок, в то время как скорости их испарения - на
несколько порядков.
Механизм распыления состоит в том, что в результате
внедрения иона в материал, в нем возникает каскад бинарных
упругих столкновений смещенных атомов, в котором происходит
обмен энергией и импульсами между атомами. Среднее время
развития каскада атомных столкновений составляет 2 10’° с.
Конечным результатом развития каскада становится передача
поверхностному атому мишени, изготовленной из материала
покрытия, достаточной энергии для преодоления сил связи, что
и приводит к распылению. Мишень распыляется в основном по
двум механизмам:
1) выбивание частицы (атома) происходит в результате
прямой передачи импульса от иона поверхностному атому или
2) энергия, выделяющаяся в зоне удара, создает условия,
сходные с термическим испарением' материала в вакууме.
Таблица 3.1
linen ‘ST = 'ИН» 1НФ
36,9-Ю"2 « 3 7.0 3S0 60-80 so
разрядом 98.4-10'2 2 5 7.0 * 2S0 60-80 so
Триод- 98.4T0*4 оз-ол SO 2.5 3-7 70 20 400
ройная 24,6-10 0.6 30 100 7 90 30-30 SO
Число столкновений зависит от расстояния между мишенью
и подложкой, обычно рассматривают изменение реального “ко-
эффициента распыления" как функцию произведения pd.
d - расстояние между мишенью и подложкой.
При рлЫЗЗ-10'2 Па/см доля распыленного вещества, осев-
шего на подложку - 0,99%, при pd=l,3310’‘ - соответственно
0,96, при pd=l,33 - 0.55; при pd=13,3 - 0,1; при 1,33 10’2 - 0,01.
Из этих данных следует, что при рй=13.3Па см на мишень
возвратится до 90% распыленных атомов.
При распылении платины доля заряженных частиц не
превышает 0,01%, молибдена - 0,1%, тантала и никеля - 0,8%.
Поскольку энергия распыленных частиц достигает десятков и
сотен электроновольт,
десятки и сотни раз превышает
энергиям и скоростям выбитых частиц при бомбардировке
мишени ионами Hg* с энергией 700-900 эВ:
- для никеля 6,5 км/с (12,7 эВ),
- для вольфрама 3,5 км/с (12 эВ),
- для платины 4 км/с (16 эВ).
Используемые в настоящее время ионные распылительные
I) плазмоионные, в которых мишень находится в газоразряд-
ной плазме, создаваемой с помощью тлеющего, дугового или
высокочастотного разряда, а распыление происходит за счет
бомбардировки мишени ионами, извлекаемыми из плазмы,
2) с автономными ионными источниками без фокусировки
и с фокусировкой ионных пучков, бомбардирующих мишень.
Иоино-плазмеияые системы классифицируют:
- по количеству электродов (диодные, триодные, тетродные);
- по виду используемого напряжения (постоянное, высокоча-
стотное) ;
гмещсиием и без смешения).
По конструктивным признакам разрядного устройства разли-
чают следующие типы высокочастотных разрядов: емкостный
(Е-разряд), индукционный (Н-разряд) и микроволновый (СВЧ).
Перспективными в технике получения покрытий являются
многопучковые (многоаппаратурные) ионные источники (источ-
ник Кауфмана). В этих конструкциях разряд образуется в
однородном
оле, внутри цилиндрического
получать большой суммарный ионный ток и однородную плот-
ность ионов в граничном слое плазмы перед эмиссионным
электродом.
Классификация систем ионного распыления материалов
г многоаппаратурного ионного источни-
- сила тока 50-1000 мА (зависит от диаметра пучка),
- плотность ионного тока в пучке 0,5-1,0 мА/см2;
- энергия ионов 0,5-2,0 кэВ.
Воздействие потока
. на подлож-
влиянне на прочность сцепления покрытия с подложкой, струк-
туру и плотность покрытия, величину внутренних напряжений.
При ионной бомбардировке поверхности подложки происходит
ее распыление, образование дефектов в поверхностном слое,
состава поверхности, поглощение газов, нагрев подложки, обра-
цссс распыления приводит к удалению поверхностного слоя, то
•го называют ионной очисткой пт ионным травлением.
1. Диодная схема ионного распыления
В наиболее простом случае (диодная схема) с низковольтной
китушкой и полым катодом система распыления состоит из двух
« на другом электроде устанавливается подложка. Рабочий
Н|юцесс в такой системе происходит при давлении около 1,3 Па,
при этом энергия осаждаемых частиц составляет 2-20 эВ, что
Огличительный признак дно;
распыляемого материала и электроное, поддерживающих разряд.
В го же время и анод принимает участие в возбуждении разряда,
одновременно являясь подложкодержателем. Для образования
положительных ионов в разряде обычно используют аргон. Так
кик процесс распыления происходит при сравнительно большом
давлении, ионы инертного газа, как и распыленные атомы,
рольными частицами, что вызывает потерю энергии ионов,
бомбардирующих катод, и частиц распыленного материала. Это,
в свою очередь, приводит к снижению скорости распыления и
уменьшению адгезии пленок. Поэтому расстояние между катодом.
должно быть минимальным. Для получения оптимальных условий
распыления подбирают соответствующее соотношение между
тремя величинами: расстоянием между катодом и анодом,
Диодное распыление материалов может осуществляться и в
тзовой среде, взаимодействующей с распыленными частицами и
материалом мишени. Тогда присходит так называемое реакцион-
ное распыление, в результате которого получают пленки оксидов,
нитридов, карбидов и других химических соединений.
Катодное распыление в разряде п<хтоянного тока позволяет
покрытия лишь из
Если материал мишени является диэлектриком, то при
прекращается, так как поверхность диэлектрика при ионной
бомбардировке приобретает положительный потенциал, после
чтобы периодически нейтрализовать положительный заряд, х
металлической пластине, расположенной непосредственно за
распыляемой диэлектрической мишенью, прикладывают ВЧ-на-
пряжение с частотой 1-20 МГц (наибольшее распространение
При отрицательной полуволне напряжения на диэлектричс-
ионами, из-за чего прекращается ионная бомбардировка мишени.
При положительной полуволне напряжения происходит бомбар-
дировка мишени электронами, которые нейтрализуют положи-
тельный заряд на поверхности мишени, позволяя производить
распыление в следующем цикле.
Основные параметры, достигаемые в установках ВЧ-распы-
ления материалов:
- удельная скорость распыления - 2-1 О*7 - 210'6 г/см2- с;
- эффективность процесса распыления (по меди) -
6-107 г/Дж;
- энергия генерируемых частиц - 10-200 эВ; rt
- энергия осаждаемых частиц - 0,2-20,0 эВ;
- рабочее давление в камере установки - 0,5-2,0 Па.
Этим методом можно получить покрытие практически из
любого материала, в том числе из диэлектриков и пластмасс.
Метод катодного распыления обладает следующими пре-
имуществами: возможность ионной очистки подложки непосред-
ственно перед нанесением покрытия, получение покрытий из
высокая однородность покрытия по толщине.
Катодное распыление находит широкое при
использования материала,
Его используют при нанесении специальных покрытий для
ной промышленности для контактов и электродов применяют
пленки золота, серебра, платины, тантала, они отличаются
высокой стабильностью
пленки некоторых сплав
гросопротивлсния, нитрид тантала и
спользуют для конденсаторов. Плен-
ки SiO2, полученные методом высокочастотного распыления,
имеют лучшую стабильность и адгезию, чем полученные любым
другим методом. Новым направлением в применении катодного
распыления является нанесение твердых смазок (например, MoS2)
и износостойких покрытий из хрома, вольфрама, нержавеющей
стали и т.п. ..........w
Катодное распыление является универсальной системой, по-
зволяющей наносить на поверхности деталей практически любые
материалы. Фирма I^ybold Heraens (Германия) в течениие 25 лет
активно работает в этой области, получая износостойкие и
декоративные покрытия, в основном из нитрида титана.
Износостойкость покрытий, нанесенных катодным распылени-
ем, существенно зависит от твердости подложки, от адгезии к
основе и технологии нанесения. Так, например, долговечность
пленки А1гО3, нанесенной на алюминиевый сплав, углеродистую
сталь, коррозионно-стойкую сталь и спеченный карбид, возра-
Метод катодного распыления особенно перспективен для
нанесения покрытий из тугоплавких материалов, которые трудно
нанести термическим испарением в вакууме. Несмотря на
универсальность метода катодного распыления, основной его
недостаток заключается в относительно низкой скорости осаж-
дения покрытий.
2. Триодная схема ионного распыления
Более совершенной по сравнению с диодной системой катод-
ного распыления является триодная (рис. 2.2, б), в которой для
увеличения количества распыляемых частиц и, следовательно,
скорости осаждения покрытия степень ионизации в газовом
(шзряде повышается с помощью потока электронов. Плазма
разряда фокусируется магнитным полем и может существовать
при достаточно низких давлениях (" 10*‘ Па). В основном
применяют продольное магнитное поле, параллельное электри-
ческому полю в темном катодном пространстве, в результате
••его возрастает эффективная длина пути электронов и, как
следствие, степень ионизации рабочего газа. Деталь размещается
против мишени, которая заряжена отрицательно и бомбардиру-
ется ионами аргона, распыляющими ее. В результате на
поверхности детали осаждается материал мишени. Так, в про-
цессе нанесения покрытий на турбинные лопатки при давлении
пргона 10'* Па, потенциале мишени 0,7-1 кВ и плотности тока
3 мА/см2 скорость конденсации титана на расстоянии 3 см
составляла 20 мм/мин.
Необходимо отметить, что при рскционном нанесении покры-
тий с применением триодной схемы ионного распыления возни-
кают определенные трудности, так как вспомогательный термо-
катод взаимодействует с активными газами и может быстро
выходить из строя.
3. Магнетронная схема ионного распыления
Магнетронные системы ионного распыления относятся к
системам распыления диодного типа, в которых атомы распыля-
емого материала удаляются с поверхности мишени при ее
бомбардировке ионами рабочего газа (обычно Аг).образующимися
в плазме аномального тлеющего разряда. Для увеличения
скорости распыления необходимо повысить интенсивность ионной
бомбардировки мишени, т.е. увеличить плотность ионного тока
на поверхности мишени. С этой целью используют магнитное
поле В, силовые линии которого параллельны распыляемой
поверхности и перпендикулярны силовым линиям электрического
Принцип действия магнетронной распылительной системы
следующий. Катод-мишень помещен в скрещенное электрическое
(между катодом и анодом) и магнитное поле, создаваемое
магнитной системой. Наличие магнитного поля у распыляемой
поверхности мишени позволяет локализовать плазму аномального
тлеющего разряда, предотвращая тем самым попадание высоко-
энергетичных вторичных электронов на подложку и значительно
уменьшая тепловой поток на нее. Кроме того, концентрация
вторичных электронов вблизи поверхности катода локализует
плазму в очень узкой области, позволяя максимально приблизить
напыляемую поверхность к мишени. Интенсивно распыляемая
поверхность мишени располагается между местами входа и
выхода силовых линий В, геометрия которых определяется
формой полюсов магнитной системы.
При подаче постоянного напряжения между мишенью (отри-
цательный потенциал) и анодом (положительный или нулевой
потенциал) возникает неоднородное электрическое поле и воз-
буждается аномальный тлеющий разряд. Эмиттированныс с
си электроны захва-
катода под
тываются магнитным полем и оказываются как бы в ловушке,
создаваемой, с одной стороны, магнитным полем, возвращающим
электроны на катод, а с другой - поверхностью мишени,
отталкивающей электроны. В результате электроны совершают
сложное циклоидальное движение у поверхности катода, в
процессе которого они претерпевают многочисленные столкнове-
ния с атомами аргона, обеспечивая высокую степень ионизации,
что приводит к увеличению интенсивности ионной бомбардировки
мишени и соответственно значительному увеличению скорости
распыления, которая может приближаться к скорости термиче-
ского напыления. Наряду с этим снижается на порядок рабочее
давление, что резко уменьшает загрязнение покрытий газовыми
примесями.
Материал мишени влияет на величину параметров разряда,
его интенсивность, что связано с различием в коэффициентах
т.д. Так, при одинаковом напряжении разряда, магнитном поле
нержавеющей стали наибольшие токи разряда достигаются при
алюминиевой мишени, наименьшие - при мишени из коррози-
1»11и>-стойкой стали.
Магнетронные системы с различными пространственными
||»рм1>ми мишени позволяют напылять покрытия на сложные
поверхности изделий, например, наружные или внутренние
цилиндрические поверхности изделий.
Эффективность ионного распыления характеризуется коэф-
фициентом распыления и скоростью роста покрытия (см. табли-
Таблица 3.2
Влияние коэффициента распыления S на скорость роста
покрытия для некоторых материалов
Ж! №11
SI 0.5 1.2 12,8
Tl 0.6 7.8 Сг 1.3 16.6
Та 0.6 7.8 Pt 1.6 21,0
W 0.6 7.8 Си 2.8 30.0
Nb 0.65 8.4 2.4 31.2
Мо 0.9 Аи 2.8 36.7
AI 1,2 12,7 3.4 44.2
Важными параметрами распыления являются мощность тлеющего разряда, плотность энергии, сила тока, напряжение, Лишение, дистанция напыления. В зависимости от способа ионного распыления реализуются мощности от 2,0 до 50 кВт, соответственно плотности энергии Ю'-Ю4 Вт/см2.
100-1500 мА (0,1-50 мА/см2) и напряжение разряда 500-1500 В. В зависимости от способа ионного распыления процесс ведут при давлении Рк=10-10’2 Па. Дистанцию напыления выбирают минимальной, и она состав- ляет 40-150 мм. Благодаря этому коэффициент использования миссы приближается к 100%. По мере снижения расстояния ионный ток падает и скорость распыления снижается. Скорости распыления материалов приведены в таблице 3.3.
ипхшямп >a> Таблица .3.1
Скорость распыления некоторых материалов при
использовании плоского круглого магнетрона 120 мм
м"“ “р- с”-“ °—-• Сирость^
AI 0,24 Ak-SI 0,24 WC 0.11
Си 0.44 W-TI 0,12 ТЮ2 0,14
Сг 0.26 Nl-Cr 0,24 Ta2OS 0.21
Ni 0,24 Co-NI 0.34 Cr2O3 0.27
Т1 0.10 Fe-NI 0.23 TIN 0,05
Та 0,12 Co-Tl-Fe 0.44 InSnO2 0.14
Мо 0.20 Бронза 0,40 CdSnO2 0.21
W 0,12 Латунь 0,40 A12 03 0.14
Магнетронные системы относятся к низковольтным системам распыления, напряжение питания которых не превышает 1000 II постоянного тока. Рабочее напряжение составляет 300-700 В, на нулевой потенциал. Однако в магнетронах с плоским катодом для более полного улавливания вторичных электронов рекомен- дуется подавать на анод небольшое положительное смещение <40-50 В). В некоторых системах предусматривается подача отрицательного напряжения смещения на подложку (до 100 В) для реализации распыления со смещением. Ток разряда зависит от многих факторов, например, от рабочего напряжения, рабочего газа и давления, индукции магнитного поля, конфигурации магнетронной системы, распы- >шя. Плотность тока на мишени очень велика и в системах с полым цилиндрическим катодом составляет в среднем 80 мА/см2, с коническим катодом 160 мА/см2, а с плоским катодом - 200 мА/см2. Значение удельной мощности в магнетронных системах с полым цилиндрическим катодом 40 Вт/см2, с плоским катодом - 100 Вт/см2. Предельно допустимая мощность определяется условиями охлаждения мишени и теплопроводностью распыляе- мого материала. Магнетронная система может работать в диапазоне давлений от 10'2 до 1 Па и выше. Важнейшими параметрами, во многом
которого у поверхности
ШИнаии 0,03-0,1 Т.
Для получения покрытий из диэлектрических материалов
иетишунгт высокочастотное (f=13,56MTu) магнетронное распы-
>нер|мя распыленных частиц у подложки составляет величину
I' !0 эВ. Величина термического эффекта на подложке в
I- . чете па одну частицу составляет 10-100 эВ для металлов.
|1->чШМср, при напылении алюминия со скоростью 2 мкм/мин
•нм «|нЬскт составляет 0,5 Вт/см2.
.И11Ц1П1Л смещения достаточен для получения плотности тока на
.||юм>лящнх подложках в пределах от 1 до 10 мА/см2.
Дна магнетронной схемы плотности потока достигают 1О20-
|кн 11нлепных атомов до 20% и более. Энергия распыленных
aiiiMim во много раз выше энергии испаренных атомов. Так
градпяя энергия <Е> атомов меди, испаренных при температуре
1Л1ГС составляет 0,26 эВ. Средняя энергия атомов меди,
Грп1няя энергия распыленных атомов зависит от энергии
бомбардирующих ионов Е„, свойств распыляемого материала, угла
вылета, достигая значений 200 эВ и более.
Существует большое число разнообразных конструкций маг-
нет|юнов, отличающихся способом создания магнитного поля (в
некоторых случаях - его конфигурацией), конструкцией магнит-
ного узла и геометрией мишени. Разработаны три базовых
конструкции магнетрона - цилиндрическая <с цилиндрическим
катодом), планарная (с плоским катодом) и так называемая
(Сил (с кольцевым конусообразным катодом), которую иногда
! читают разновидностью цилиндрической. Для приведенных
i истом характерны плотности тока 60 мА/см2 и достатчно
ансокая равномерность наносимых покрытий.
Энергия, которая при распылении из твердой фазы теряется
а лиде тепла, можно использовать на дополнительную генерацию
потока частиц вещества его испарением, объединив процессы
ионного распыления и термического испарения в единый распы-
ттелыю-испарительный процесс. Кроме высокого использова-
нии энергии, распылительно-испарительная система позволяет
достичь высоких скоростей осаждения. Так, при мощности
40 Вт/см2, плотности ионного тока 70 мА/см2 и расстоянии
между мишенью и подложкой 50 мм скорость осаждения меди
составляла 0,8 мм/с. При этом разряд стабильно горит при
давлении 1О’г Па, т.е. на порядок более низким, чем при
распылении из твердой фазы.
ранение в промышленности получили системы с конической и
плоской мишенями.
Магнетронное распыление широко применяется как у нас в
стране, так и за рубежом.
Разработаны и освоены магнетронные распылители и системы
обеспечения их работы трех типов:
1) планарный распылитель с круглым катодом (МРК-10/160),
2) планарный распылитель с прямоугольным катодом (МРГ1
30-160/600).
3) распылитель с цилиндрическим катодом (МРЦ-20-
65/1000);
В числителе указана максимальная мощность в кВт, в
знаменателе - параметры катода. Рабочее давление аргона во
всех трех распылителях «0,1-1 Па.
Электрические и энергетические характеристики распылите-
лей представлены в таблице 3.4 и 3.5.
Таблица 3.4
Электрические характеристики PC
5
Диодная на 1Л-13 З.О-5.О 2.0-33 0.5-03 2.0-S.0 0.S-O.6
ВЧ даоди». Р.МЛ ’мьхо" 0.7-1.5 1.0-2,0 3.0-J.0 Р.2-0,6
Магнетрон- <13-6.6)10-1 0,4-03 оз-оз 15-20 3-IS 0.6-0.7
(13-6.6)-10-1 0.5-0.7 2,0-4,0 З.О-5.О 0.3-0.6
Таблица 3.5
Энергетические характеристики PC
мчге
Л»"1”" на постоянном 0,9-1,* 0.5-Ю.7
•’1 дш>дная 1.6-2.5 0.5-1.0
у З.О-3.8 2.1-2.3
|>1 магнетронная । 2.5-3.0 Q.9-1,5
7-7,5 4-6
Созданные конструкции применимы при распылении алюми-
та, меди, латуни, антикоррозионной стали, титана.
Технические характеристики некоторых типов магнетронных
распылителей при распылении различных металлов и сплавов в
talVume 3.6.
Таблица 3.6
ки PC
х.р..^«~. распыл1сымЯ ыйтергал
—— 1.. Л.™
Параметры разряда диодной распылительной системы
Cn/ui тока, А 40 40 40 25 45
напряжение, В 540 5‘)О 675 575 450
0.4 0.4 0,4 0.4 0.4
100^Tm«/L» 1.0 2,4 3.0 0.7 0,6
Параметры разряда «магнетронной распылительной системы
(‘илл тока А 40 39 38 36 49
напряжение. В 5i л» 510 520 405
давление, Па 0,4 0,4 0.4 0.4 0.4
на расстояния 100 мм, мкм/мин 0,14 0,30 0,31 0,17 0.11
Сопоставление параметров диодной и магнетронной распыли-
тельной системы показывает существенные преимущества послед-
промышленного использования. Магнетронная система в 4 раэи
более энергетически эффективна, чем диодная, т.е. при одной и
той же подводимой мощности в магнетронной системе распыля
ется в 4 раза больше наносимого вещества. Следует также учесть,
что диодная система работает при давлении на порядок выше,
чем магнетронная, и в ней происходит возвращение распыленных
атомов на мишень за счет обратной диффузии и рассеяния, и
это еще больше снижает энергетическую эффективность диодной
схемы по сравнению с магнетронной. Энергетическая эффектив
ность магнетронных систем на постоянном токе выше, чем у
ВЧ магнетронных, так как в последних при примерно одинаковых
энергиях бомбардирующих ионов ионные токи сравнительно
В настоящее время наибольшей энергетической эффективно-
стью из всех распылительных систем обладают магнетронные
системы постоянного тока, в которых максимальная энергетиче-
ская эффективность процесса ионного распыления сочетается с
высоким коэффициентом преобразования подводимой к системе
мощности (таблица 3.4).
Линия состоит из блоков загрузки и выгрузки с двумя
шлюзовыми камерами на каждом блоке, камеры активации
поверхности напыляемой заготовки тлеющим разрядом и проме-
жуточной камеры, а также содержит основной блок с магнетрон-
ной распылительной системой (МРС), в камеру которого подается
плазмообразующий газ аргон. Линия оснащена форвакуумными
насосами типа АВЗ-63Д и АВЗ-90, паромасляными бустерными
насосами НВБМ-2,5 и НВБМ-5, а также высоковакуумными
Максимальный размер заготовки 500x600 мм.
двустороннее от автономных МРС, оснащенных
Наг
источниками питания. Общая мощность линии составляет около
400 кВт. Линия УН-101 имеет АСУТП “Напыление" на базе
двух микро-ЭВМ “Электроника-бОМ”, анализирующих информа-
цию аналоговых и дискретных датчиков. АСУТП обеспечивает
выполнение заданного технологического процесса и выдачу
паспорта на каждую партию заготовок.
Основные параметры магнетронных систем ионного распы-
- удельная скорость
распыления
- эффективность процесса
генерации (по меди)
- энергия генерируемых
310 е г/Дж;
10-20 эВ; wwrw
анергия осаждаемых частиц 0,2-10,0 эВ;
га<>|мхть осаждения 10-60 нм/с;
(ибочес давление (5-50) • 10'2 Па.
Monnoiwx получать покрытия
(д<> I мкм/мин). На основе :
“Мир" 1/10” для
Иашч синя покрытий, технические характеристики которого пред-
ииачмшя подача газов: распылительного (аргона) для распыления
НИКНИ, реактивного (азота) в зову осаждения покрытия -
вушгствспно улучшает процесс образования химического соеди-
и не снижает при этом
Технические характеристики магнетрона “Мир 1/10”:
Мощность, кВт......................................... 10
||ин|1яжение, В:
поджига разряда .................................... 1000
разряда ............................................. 500
ионизации реактивного газа ........................... 100
Рабочее давление, Па
Размер распыляемой мишени, мм:
диаметр
толщина
.......6,6510-1
(510'3 мм.рт.ст)
............ 500
150
10
Скорость осаждения покрытия на дистанции 600 мм на
нитрида титана .......................................0,5-0,8
ниобия ...............................................1,0-2,0
диаметр ............................................. 300
высота .............................................. 400
Масса, кг ............................................. 6
Магнетрон разработан НИИ неорганических материалов Го-
скомитета по использованию атомной энергии и внедрен на ряде
предприятий. Магнетрон применяется в составе установок для
нанесения износостойких покрытий из нитридов титана и
циркония на режущий инструмент, оснастку для прокачки и
колочения, штампы. По данным НИИ неорганических материалов
стойкость сверл, метчиков, разверток, фрез повышается в 3-5
раз (результаты испытаний инструмента с покрытием, нанесен-
ным ионным распылением в табл. 3.7). Для успешной эксплуа-
тации этих сложных установок необходим перевод их на
автоматическое управление ходом нанесения покрытия при
помощи микропроцессора. В случае ручного управления из-за
высокой скорости формирования покрытия трудно обеспечить
стабильность параметров, а следовательно, высокое качество
Фирма “Лейбольд Хереус” (Германия) разработала установку
со сдвоенными магнетронными узлами, позволяющую наносить
такие покрытия как TiC.TiN.TiCN.CrN.WN.TaN на детали без
их вращения. Одна из серийных установок этой фирмы
А100023У4(автоматизироеанная, многокамерная) производит до
600 сверл диаметром 6 мм или 800 фрез диаметром 150 мм за
широко
тся для металлизации интегральных схем и
полупроводниковых приборов. По мере совершенствования эти
вых плат, осаждения металлических пленок на непрерывно
движущуюся ленту (в том числе из мацлара или полиамида) без
i для приборов
нагрева последней, изготовления
СВЧ-диапазона, получения нитрида кремния, для защиты интег-
ральных схем и других целей.
Значительный прогресс в технологии обработки поверхности
метода магнетронного распыления. В большей мере это относится
к области машиностроения: нанесения износостойких, антикор-
розийных, термостойких, высокотвердых, декоративных и других
расг
‘ стемы для получения качественных покрытий толщиной до
Покрытия получают на вакуумной установке УРМ-3-279-011,
’ плоским круглым катодом. Диаметр катода - 130 мм, потребля-
емая мощность - 5кВт. Процесс газового разряда осуществляется
'' в системе при давлении рабочего газа (Аг) 0,1-0,6 Па. Низкотем-
пературная плазма разряда локализуется вблизи поверхности
твердой мишени - катода -
ляет 1000 В. Рабочее напряжение - 600-800 В, сила тока - 4-5
Результаты испытаний, проведенных на инструментах с посрытяем,
нанесенным ионным распылением.
И“’Т"
CtCfXK-rb 1ЮД1ЧЯ «ф<ХЛ ВД1Ч<
Цех по вГм-2.“ диаметр 73 1Ш1 шпинделя инструмент Переза точка пере за точки.
762x762мм канавок на шпинделя 0.88 мм на шпинделя ~<2 (1 проход).
шурупов У ппе^еп, ит'Х'я ’2' 0.05 мм на 2000 об/мин деталей на одну грань одну грань
1 • i| 1 & st J!.h, Hi
I 1 У «1 .ILIL И 1
1 H li i B3 ill 58
ll Й 5 1
[ . 1 h 1 1 з 82 id -!
hi H i i St
1 И П । ih л
J indi i Й.
1 HI II i d ll Ui,id,
। •« никель, а также меди и молибдена. Покрытия осаждались
ни мгдные полированные пластины.
иям/мии, молибдена - 0,4 мкм/мин, сплавов титан-никель - 0,75
htrpitocmb покрытий, полученных магнетронным методом,
||Нп|нпгл«>но превышает твердость соответствующих массивных
l|hi триплов. В результате измерений микротвердости покрытий
'<• нциной более 30 мкм с помощью прибора ПМТ-3 (нагрузка
|н<» - 4000 МПа, молибден - 4500 МПа. Результаты относятся
| температуре подложки 200°С.
Прочность сцепления исследованных покрытий с основой
^восходит все критерии, известные для соответствующих
|Тсриалов, получаемых методом испарения и конденсации в
|«н »1гдующую обработку их поверхности механической полиров-
|ий, причем не наблюдалось даже частичного отслоения покры-
»д«-кремний и титан-никель, а также чистого молибдена на
й« мечено как основное отличие ее структуры от структуры
юмерхносги вакуумных конденсаторов. При толщине слоев до
установлено, что отражающая способность поверхности
подложку, находится на уровне значений, характерных для
оптически полированного никеля, для всех рассмотренных мате-
риплов характерно сходное ячеистое строение поверхности
покрытий с различием только в размере ячеек. Опыт работы с
я но ряду показателей решающих, преимуществ метода по
ерппнению с известными термовакуумными (электронно-лучевым,
Разработка магнетронных распылительных систем создает
аеркал, но и существенно улучшить их качество.
существенные преимущества перед методом катодного распыле-
ния при получении на стеклах многослойных покрытий с
различными декоративными и оптическими эффектами.
Многослойные покрытия с использованием реакционного
рохромные покрытия. Покрытия из латуни и i
магнетронным способом, дают равномерное цветное покрытие без
применения окрашенных защитных лаков, а также покрытия из
нержавеющей стали, для которых в ряде случаев можно
отказаться от защитного лака. При магнетронном методе пленка
формируется из атомов распыленного металла и имеет высокий
коэффициент отражения, а в случае распыления сплава полно-
стью сохраняется стехиометрический состав исходного материала.
Но магнетронные установки сложнее в обслуживании и дороже
в изготовлении. Опробовано распыление ряда других материалов,
например, бронзы, хрома, оловянио-свинцовых припоев. Приме-
нение только одного из изделий с магнетронным титановым
покрытием позволяет получить годовой экономический эффект.
Изготовлена вакуумная установка для нанесения защитно-деко-
ративных покрытий на штучные изделия с МРЦ 20-65/100 типа
УВ-89.
2.4. Метод активированного реакционного испарения
Метод активированного реакционного испарения (АРИ)
(рис. 2.3) является модификацией широко известного метода
термического испарения и конденсации в вакууме. Метод позволяет
I достаточной производительностью получить тугоплавкие сое-
динения типа карбидов, нитридов, окислов, сульфидов и анало-
гичных материалов.
дозированное количество газов, таких, как азот, кислород,
углеводороды (метан, ацетилен) и др. При этом испаряющиеся
атомы металла, взаимодействуя с атомами газа, образуют
мимические соединения, например: 2Ti+C2H2->2TiC+HL С целью
полноты протекания реакции применяют различные способы
В качестве источника испарения используют в основном
высоковольтные электронно-лучевые пушки, нагрев которыми
ишровождается формированием над поверхностью расплава тон-
кот слоя плазмы.
С помощью помещенного над расплавом электрода с неболь-
шим положительным потенциалом (50-400 В) низкоэнергетиче-
гея из плазменного слоя и
расплавом и электродом.
образуют плаз
Низкоэнергетические электроны ионизируют или активизм
руют атомы газа и металла в паровой фазе. Тем самым возрастает
вероятность протекания реакции взаимодействия при их столь
новении. В плазме имеет место также обмен зарядами пр»
столкновении положительных ионов и нейтральных атомов.
Кроме того, в плазме возникают нестабильные молекулы
химических соединений, находящиеся в возбужденном состоянии
и являющиеся зародышами химических соединений на подложке
Этот процесс обеспечивает полное протекание синтеза, на
когда отношение металл/металлоид близко к единице. 2
За счет изменения парциального давления газового компонеи
та можно регулировать отношение металл/металлоид в покрытии.
Наличие плазмы обеспечивает более полное использование
газа-реагента, что позволяет получить высшие химические
соединения при низком парциальном давлении газа.
Предложен целый ряд методов:
- отрицательный, положительный'или “плавающий" nomen
циал подают на подложку (вместо использования специального
электрода);
электронов (например, нагреваемую вольфрамовую нить), что
более широких пределах регулировать скорость испарения;
- вместо высоковольтной электронно-лучевой пушки исполь-
катодом (для осаждения TiC) или с холодным катодом (для
осаждения TiN). В этом случае благодаря низкой энергии
первичные электроны не только нагревают расплав, но и
способствуют ио|шзации испарившихся атомов металла и газа.
Метод АРИ обеспечивает достаточно высокие скорости осаж-
дения покрытий (от 20 до 200 мкм/ч). В частности, при
электронно-лучевом испарении (мощность луча 3 кВт, расстояние
от испарителя до подложки 130 мм) скорость, осаждения TiC
составила 60-120 мкм/ч. При испарении пушкой с полым катодом
(типичные характеристики: внутренний диаметр танталового
катода 4 мм, длина 80 мм, толщина стенки 0,5 мм, скорость
подачи аргона 30 см’/мин, разряд 40 В, 200 А, расстояние от
испарителя до подложки 140 мм) скорость осаждения TiC около
12 мкм/ч.
Методом АРИ получены следующие соединения: A!jO3. V2O3,
TiC. ZrC, NbC. Ta2C. TaC. VC, W2C. HiC, HiN. VC-TiC.TiC-Ni, TiN.
CuxMo6S8. CuxS, окисли титана и др.
В качестве реакционного газа предпочтительнее использовать
метан (СН4)и этилен (CjHJ. чем ацетилен (С2Н2).
Твердость покрытия зависит от парциального давления
и потенциала на
реактивного газа,
подложке. Данным методом может быть обеспечена очень высокая
М>«|х>твердость TIC (HV=3000 Па в случае осаждения при 500"С,
НУ-55ООПа в случае осаждения при 1000*С.)
Микротвердость TiC достигает HV=3000 при парциальном
•12,3 Па, температуре
дяклснии реактивного газа -
Подложки 650*С и потенциале
Максимальная микротвсрдость Т1СНУ=2200Па при парциаль-
ном давлении азота - 2-10'3 мм рт. ст.
Микротвердость CrN меньше зависит от парциального давле-
ния азота в пределах (5-10'3 - 51О‘г>12,3 Па и температуры
1Н1ДЛОЖКИ 300-500*0, оставаясь на уровне (2000-2200)-9,8 106 Па,
и достигает максимума при потенциале на подложке -50 В.
В процессе активированного реактивного осаждения покрытие
ИЗ TIN не всегда хорошо воспроизводится и часто является
Пористым. Для устранения этого недостатка рекомендовано строго
воптролировать соотношение между скоростью испарения и
подачей азота.
Покрытия из TiC, TiN, AljOj и HfN, осажденные методом АРИ
на твердосплавный инструмент и инструмент из быстрорежущей
стали, повысили их стойкость при непрерывном точении в 2-8
травнению со стойкостью сверл без покрытия.
должна быть выше 600*С).
Не во всех случаях мак.
то йк ость
мильной твердости. Хотя более высокую твердость обеспечивает
парциальное давление CjHj- ЫО'Мг.З Па, минимальный износ
задней грани имеет место при давлении С2Н24 Ю4 мм рт. ст.,
что соответствует более низкому значению HV-2500-9,810"6 Па.
НЧ-разряд, позволяющий проводить распыление материалов-ди-
В нашей стране для реализации процесса АРИ в промыш-
ленных условиях создана последняя модель установки УВНЭИП-
17/4-001 с применением ВЧ-индуктора и электронно-лучевого
испарителя мощностью 10 кВт. Ионизация испаряемого вещества
осуществляется в высокочастотном электромагнитном поле, со-
здаваемом ВЧ-индуктором, подсоединенным к ВЧ-генератору
через систему согласования. Процесс ВЧ-иоиизации обеспечивает
значительную энергию ионов (Е>100 эВ). Увеличение энергии
ионов, бомбардирующих подложку, возможно за счет подачи на
нес постоянного напряжения или высокочастотного смещения
(напряжение 0-3 кВ, ток смещения - до 1 А). Питание
ВЧ-контура и цепи ВЧ-смещения осуществляется от одного
генератора ВЧД-2,5 с частотой 13,56 МГц. , ______ ,
2.5. Метод ионного осаждения. •
В аппаратурном оформлении установка для ионного осажде
испарения и ионного распыления. Метод обеспечивает высокую
производительность и
Это обусловлено тем, что испарение металла проводится чаще
всего электронным лучом в атмосфере тлеющего разряда.
который возбуждается между катодом-подложкой и анодом-испа-
рителем. На подложку подается отрицательный потенциал вели-
чиной 1-5 кВ. На стадии предварительной очистки при электри-
ческом разряде в среде аргона на изделие может подаваться
отрицательный потенциал до 15 кВ (5).
Рабочий газ (аргон) напускают в рабочую камеру до давления
10'3-10’212,3 Па после предварительного вакуумирования уста-
новки (lO^-W4 12,3 Па). Атомы испаренного металла в плазме
ионизируются или возбуждаются, и благодаря высокому отрица-
тельному потенциалу па подложке происходит интенсивная
ионная бомбардировка поверхности конденсации в процессе
осаждения материала.
здаются условия для нанесения их на затененные участки
изделия. Это связано с тем, что при типичном рабочем давлении
в условиях ионного осаждения (10'212,3 Па) средняя длина
свободного пробега частиц составляет 5 мм. Таким образом, имеет
гомон аргона и изменение их траектории.
Нысокая прочность сцепления покрытия с подложкой обеспе-
чивается не только за счет предварительной ионной очистки
последней в результате бомбардировки поверхности ионами аргона,
Ио и :ш счет внедрения ионов покрытия в подложку на глубину до
.М> А. В сочетании с диффузией и псевдодиффузией ширина
Постоянное поддерживание отрицательного потенциала на
подложке (3-5 кВ) приводит к распылению около 30% осажда-
емой) материала. Хотя это снижает производительность, но это
первую очередь распыляются атомы, имеющие пониженную
Для реализ
как диодные, так и
триодные схемы осаждения (рис. 2.2).
В простейшей диодной схеме ионного осаждения между
основными элементами - испарителем и находящейся под
отрицательным потенциалом подложкой поддерживается
тчгющий разряд. Однако из-за сравнительно высокого давления
осаждения и степень ионизации первой фазы. Более совершенны
одной стороны, и возможно вести процесс при низком давлении,
пика испарения пушки с полым катодом или магнетронного
источника. Для дополнительной ионизации может использоваться
гпкже высокочастотное магнитное поле частотой - 13,56 МГц,
позволяющее вести процесс при давлении равном 1 О*4-12,3 Па.
Один из наиболее простых методов повышения степени
ионизации и снижения давления - применение положительного
мектрода (под потенциалом 200-500 В) для создания триодной
системы. Особенно эффективна эта система при электронно-лу-
расплавом, ускоряются в электрическом поле, создаваемом
Н|>собразуют не только в триодную, но и в тетродную, или
применяют соленоид для создания продольного магнитного поля.
На характеристики разряда влияют также размеры деталей
возможности управления процессом при использовании дополни-
тельных эмиттеров электронов: повышается стабильность про-
цесса за счет уменьшения потенциала, снижается давление и
нагрев подложки, так как требуемый ионный ток достигается при
увеличить коэффициент ионизации до 5%, поднять плотность
ионного тока с 0,3 до 3 мА/см2 и при этом уменьшить давление
до 10312,3 Па.
Важным достоинством источника испарения в виде пушки
генерируемых электронов, благодаря чему они эффективно
ции парового потока до 40% (в зависимости от испаряемого
нительных систем для ионизации парового потока.
Возможно также получение керамических соединении при ис-
пользовании твердой мишени аналогичного состава, которую под-
вергают ионному распылению (ионное осаждение распылением).
При типичных условиях ионного осаждения в данной системе
(данное напряжение (катодное) 3 кВ, плотность ионного тока
0,5 мА/см2, давление 2-10‘2-12,3 Па) ионами переносится 10%
энергии, нейтральными частицами 90%. Средняя энергия ионов
и нейтральных частиц около 100 эВ.
Благодаря ионной обработке повышается частота конденсато-
ра, улучшается структура, растет платность и адгезионная
прочность покрытия. Наблюдается переход от нормальной стол-
бчатой структуры к более плотной равноосной структуре зерен.
Повышенная плотность зародышей создает условия для
получения очень плотных однородных осадков при пониженных
температурах.
Установлено, что регулированием потенциала на подложке
можно осадить покрытие с заданной ориентировкой (например, по
отношению к подложке), что обеспечивает хорошую адгезию и
износостойкость покрытия. В частности, максимальная износостой-
кость покрытий из TiC и TiN толщиной по 5 мкм, полученных по
диодной схеме с электронно-лучевым испарением, достигается при
потенциалах на подложке соответственно 400 и 200 В, которые
обеспечивают предпочтительную ориентировку структуры.
атмосфере, содержащей реактивные газы: азот, кислород, метан.
ацетилен и др.
к настоящему
времени получены такие износостойкие соединения, как Ti.TiN,
Ti (С, N), CrN, Сг2О3, ZrC, WC. HfC, TaN. Si3N4. BN. AljO3.
На получение соответствующих соединений существенное
тнческие параметры процесса. Так при ускоряющемся потенци-
але на изделии более 5 кВт и плотности ионного тока 0,4-0,5
мА/см2 на деталях формируется слой, состоящий преимущест-
венно из TIN. При увеличении плотности тока до 0,5 до 1 мА/см2
(|х>рмируется слой Ti2N. При ВЧ-ионном осаждении TiC с
лировать температуру подложки пропорционально которой про-
исходит выделение углерода. При этом нужно строго выдерживать
аютношение между скоростью испарения титана электронным
лучом и концентрацией CjHjC тем, чтобы ВЧ-разряд обеспечивал
полную активацию. В зависимости от условий процесса состав
пленки может меняться от (Т1+Т»С)до TiC.
От вида газа
при осаждении. При
ине C/Ti«0,88 достигалось соответственно при парциальном
давлении - 51О',12,3 и - 2^W4 I2,3 Па.
Для осаждения TiN парциальное давление азота должно
находиться в пределах <0,3+1,510’г12,3 Па), а для получения
наибольшей износостойкости - около 3,5-10'2-12,3 Па. Установ-
лено, что при прерывистом точении ионное осаждение обеспечи-
вает более высокую стойкость инструмента, чем газофазное
осаждение. При непрерывном точении характеристики инстру-
Оборудование для
с электронно-лучевым
испарением при наличии термоэмиттера используется для азоти-
рования поверхности инструмента в плазме низкого давления.
(5*50) 10‘* 12,3 Па перед осаждением TiN.B Японии применяется
установка с электронной пушкой с полым катодом, имеющая
следующие основные параметры: напряжение 10 В, сила тока
300-600 А, коэффициент ионизации 20-40%, давление 10**12,3
Па, отрицательный потенциал на изделии - 500 В, температура
нагрева изделия 500°С,толщина покрытия TiNIOmkm, реактивный
газ - \ияи С2Н2.
Фирма ULVAC наладила серийное производство установок
УРВ-30/30, с электронно-лучевым испарителем длв ионного
осаждения.' Покрытие толщиной 3-5 мкм наносится за один цикл
длительностью 50 мин. Степень ионизации потока пара состав-
ляет за один цикл длительностью до 50 мин. Степень ионизации
потока лара составляет 2-3%, если установка не оснащена
дополнительными электродами-эмиттерами, ионной пушкой или
ВЧ-алектродом.
Ионное осаждение с электронно-лучевым
стоя в установке BAL-730 фирмы Balzers (2).
использу-
2.6. Электронно-лучевое плазменное напыление
Одним из путей решения проблемы нанесения качественных
защитных покрытий в вакууме является применение разработан-
ного в институте металлургии им. А. А. Байкова РАН способа
электронно-лучевого плазменного напыления (ЭЛПН), заклю-
чающегося в использовании несамостоятельного электрического
заряда в парах испаряемого металла, ионизированного электрон-
ным лучом. С помощью ЭЛПН можно получать ионизированный
поток пара с регулируемой энергией ионов в широком диапазоне
за счет подачи на подложку отрицательного потенциала смещения
различной величины.
термоэлектронным кольцевым катодом, с которого эмитируются
электроны, ускоряются до величины приложенного потенциала и
бомбардируют поверхность металла, приводя к испарению по-
следнего в результате нагрева. Часть испаренных атомов иони-
зируется при столкновении с электронами, и при определенной
скорости испарения между поверхностью и кольцевым катодом
достигается такая плотность пара, что происходит пробой
промежутка катод-анод и работа испарителя переводится в режим
несамостоятельного разряда, характеризующегося большим током
и относительно малым падением напряжения в промежутке
анод-катод. Из-за относительно высокой плотности пара в
пространстве между катодом и анодом в результате их соударения
с ионами. Поток пара состоит из ионов, возбужденных атомов и
ихся при столкновении первич-
вторичных
ных электронов с атомами пара. Таким образом, при ЭЛПН
конденсация потока пара происходит в присутствии ионов
испаряемого металла, энергию которых можно регулировать за
счет величины подаваемого на подложку отрицательного потен-
циала смещения VCM,a степень ионизации - напряжением и током
разряда, а также парциальным давлением и потенциалом иони-
зации испаряемого металла. Метод позволяет наносить с высокой
производительностью чистые металлы, а также тугоплавкие
соединения, если испарительное устройство снабжается кольце-
вым коллектором для ввода в плазму испаряемого металла
испарения, реализованных в установках типа “Булат” и “Пуск”,
при ЭЛПН расходуемым электродом является не катод, а анод,
что позволяет полностью избавиться от капельной фазы за счет
диффузионного пятна, покрывающего всю плотность анода
(испаряемого металла). гюгэ
К катоду и аноду электронной пушки от источника питания
В зависимости от типа
подводится высоковольтное нап[
пушки оно составляет 5-60 кВ.
Электроны после прохождения электрического поля с разно-
стью потенциалов Uo ускоряются и приобретают кинетическую
ВПсргию Е*
Где mo, Ve, е - масса, скорость и заряд электрона.
Например, проходя через поле с напряжением в 1 В, скорость
V *595 м/с. Энергия атомов в потоке невелика и составляет
0,2-0,3 В, степень ионизации частиц 0,05-0,1%.
Для повышения производительности и стабилизации процесса
испарения целесообразно на
скиго пара накладывать про,
режиме низковольтного несамостоятельного разряда дает высокую
степень ионизации потока пара, приближающуюся к 100%. В
установках, работающих по схеме испарителя с анодной формой
дуги, реализуются высокие мощности разряда, достигающие 10
кВт. Практически полностью ионизированный поток пара позво-
ляет получать покрытия с высокой адгезионной и когезионной
Способ ЭЛПН с применением напуска реакционного газа в
вакуумную камеру в процессе напыления получил название РЭП
(реакционное электронно-лучевое плазменное), на базе которого
были созданы опытно-промышленные и промышленные установки
типа ЭПН-1, ЭПН-3, ЭПН-12.
Установка ЭПН-12 имеет горизонтально расположенную ва-
куумную камеру, испаряемый материал в виде штабика подается
юе напряжение.
Процессом управляют с пульта, соединенного с высоковоль-
тным источником питания (ВВА-9) и контрольнорегулирующей
яппаратурой. Режущий инструмент или детали оснастки монти-
ярпщать изделия в процессе напыления.
Технические данные установки ЭПН-12:
Установленная мощность, кВт ...................
Размеры рабочего пространства камеры, мм
1200
1500
Объем вакуумной камеры, м3
Рабочее давление, Па ......................1,610’^-6,7-Ю"4
Скорость нанесения покрытия, мкм/мин ................0,2-1
» Температура изделий в процессе
Напряжение, В:
питающей сети
500-700
380
на электродах ионизации ...................... 3000
на аноде испарителя .......................... 1500
Количество позиций ................................... 5
Максимальный диаметр обрабатываемого инструмен-
та, мм ............................................. 400
Ориентировочная производительность в смеиу, шт.:
при обработке концевых фрез ....................100-150
при обработке прорезных фрез .............. 200-300
Габаритные размеры, мм .................. 4500x4500x2750
Масса (без источников питания и пультов), кг ... 2500
Общая масса, кг ................................... 5000
Более производительная установка ЭПН-16 с 16 позициями
позволяет обрабатывать в смену до 2000 мелкоразмерного
инструмента.
Установки типа ЭПН внедрены в инструментальном произ-
водстве ряда
пых предприятий, в том числе на
инструмента с покрытием увеличивается в 2*2,5 раза.
Фирмой Simitomo Denki Kogno (Япония) разработан метод
Golden Асе, аналогичный методу РЭП. Стойкость режущих
пластин благодаря применению этого метода повысилась более
чем в 5 раз, а срок службы резцов, сверл, концевых и червячных
Ulvac Corporation (Япония) разработала и поставила в разные
' страны более 20 установок для нанесения покрытий. Их
1 применяют японские компании Senoike Tool в Mitsubishi!, а также
Dunenbery (Германия), Sampulensilli (Италия), General Magnaplate
(США).
При ЭЛПН были исследованы процессы испарения и конден-
сации титана и* хрома, а также структура, фазовый состав и
' свойства образующихся на стальных подложках покрытий из
' нитридов, окислов или оксикарбидов этих металлов в зависимости
от энергетических параметров реакционного ЭЛПН (напряжения
U и тока J несамостоятельного разряда в парах испаряемого
металла) при различных парциальных давлениях азота, кисло-
рода или углекислого газа (pN р0 или рот).
Параметры режима нанесения покрытий изменяли в сле-
дующих пределах Up от400 до 500В, Jpor 2 до 3.5 А и парциальное
длплснис реактивного газа р-0.2-1 О*4-133.322 Па, так как при
шепнем Up и уменьшается с введением активного
мнем Up и в меньшей степени изменением Jp. Возникающий при
ионизации реакционного газа дополнительный тлеющий разряд
поддерживается при
при работе основного несамостоятельного разряда в парах
металла. Поскольку парциальное давление реакционного газа
невелико, то, по-видимому, все молекулы его, поступающие через
кольцевой натекатель в металлическую плазму, диссоциируют в
1»сзультате столкновений и температурного воздействия плазмы,
п часть их ионизируется. При реакционном ЭЛПН процесс
образования прочных связей при формировании тугоплавких
юсдинсний в значительной степени активирован из-за поступ-
ления на поверхность концентрации ионов и возбужденных
подложки происходит образование покрытий и TiN, но структура
такого покрытия очень мелкодисперсная. Получение покрытий
из тугоплавких соединений стехиометрического состава опреде-
ляется отношением величины р реакционного газа к скорости
конденсации атомов металла. Например, покрытие TiN стехио-
метрического состава начинает осаждаться только в том случае,
если коэффициент азотирования К>1, т.е. когда плотность потока
атомов и ионов азота, поступающих на подложку, равна или
превышает плотность потока
Согласно рентгеноструктурным исследованиям, титановые
покрытия, осаждаемые при Рю= 0 и оптимальных параметрах
разряда, состоят из титана а-модификации, имеющего структуру
А-3 гексагональной плотной упаковки. При этом текстуры в
покрытии ие наблюдается. Кристаллиты напыленного покрытия
имеют размер порядка двух микрон. Структура поверхности
титанового покрытия носит ярко выраженный гомогенный харак-
тер, которому соответствует микротвердость HV=200. С увеличе-
нием парциального давления азота в процессе напыления титана
микротвердость покрытия повышается, достигая HV=2000. в то
время как размер зерна уменьшается. Скорость концентрации
покрытия TiN при этом -1 мкм/мин. Металлографические
исследования поперечных шлифов образцов с покрытием, напы-
ленным при оптимальных режимах, испытания на микротвердость
показали, что покрытия имеют три зоны: контактирующее с
поверхностью подложки чисто титановое покрытие (a-Ti),
переходный слой (a-Ti-TiN) и основное рабочее покрытие. При
пониженных температурах подложки покрытие имеет спюлбча-
тую структуру и повторяет микрорельеф поверхности подложки,
и сколы в покрытии после испытания режущего инструмента
являются вытянутыми и ограничены границами кристаллов
преимущественно вдоль направления механической обработки
поверхности подложки, т.е. границы сколов покрытий соответст-
вуют местам наиболее слабых связей между кристаллами. При
к и покрытия растут более
плотные и менее пористые. Для повышения износостойкости
покрытий прежде всего необходимо исключить условия образо-
вания ярко выраженной столбчатой структуры, т.е. напыление
необходимо проводить при повышенной температуре подложки с
целью получения более равновесной структуры покрытия. При
напылении же на стальные подложки с низкой температурой
отпуска требуется обеспечивать высокий класс обработки повер-
хности детали, на которую наносится покрытие.
Существенное влияние на работоспособность покрытий и
циентов линейного термического расширения материалов под-
ложки и покрытия. Установлено, что микротвердость покрытий
нитрида титана на стали Р6М5 после напыления и последующей
выдержки при
стся и через 10*12
суток устанавливается постоянное значение, что обусловлено
релаксацией термических (сжимающих) напряжений в результате
пластической деформации поверхностных слоев металлической
подложки. Поэтому с целью уменьшения напряжений в покры-
тиях и повышения их износостойкости целесообразно между
покрытием нитрида титана стехиметричсского состава и подлож-
кой создавать переходный компенсационный слой титана с
постоянным увеличением в нем содержания фазы TiN вплоть до
100%-ного TiN.
Аналогичные закономерности формирования структуры, из-
пря испарении хрома и напуске таких активных газов, как азот,
кислород или углекислый газ. При оптимальных режимах
реакционного ЭДПН микротвердость полученных покрытий в
виде соединений CrN. Сг2О3 или оксикарбидов хрома составляла
соответственно HV=H00. 2600 и 1300. Испытания покрытий,
полученных способом ЭЛПН,
Режущие
разверток, метчиков и зубообразующего инструмента с износо-
стойкими покрытиями окиси хрома и нитрида титана определя-
лись при обработке сплавов марок О8Х17Н13М2Т, 12Х18Н10Т,
ЗОХГСА, 45, ОХ23Н28МЗДЗТ, 50, 20ХНЗА, БрХ08, АМц, АМг-б
и лр. При точении режущие свойства инструмента с покрытием
оценивались в сравнении с резцами из стандартной стали марки
PI8, а при обработке многолезвийным инструментом: развертка-
ми, фрезами, сверла
। - в сравнении с инструментом
из тех же быстрорежущих сталей без покрытий. Толщина
покрытий, осаждаемых на режущие кромки инструментов, со-
ставляла 5-15 мкм при микротвердости HV=1500-3000 Па.
Произведенным испытаниям подвергались крупные партии
инструмента из быстрорежущих сталей марок Р6М5, Р18, Р6МЗ,
Р4К5 и т.д. Результаты испытаний показали, что в зависимости
от обрабатываемого материала и применяемого инструмента
стойкость увеличивается в 1,5-5,3 раза. При этом напыление
подобных покрытий позволяет заменить без снижения стойкост-
иых свойств инструмент из стали марки Р18 инструментом из
стали марки Р6М5 с высокотвердым покрытием, причем режущая
стойкость инструмента из стали марки Р6М5 с покрытием в 1,5-2
раза выше стойкости инструмента из стали марки Р18 без
износостойкого покрытия. Трехгранные и четырехгранные твер-
досплавные пластины ТТ7К12 испытывали при обработке угле-
родистой стали марки 50 на токарно-винторезном станке.
Исследования показали, что стойкость пластин с покрытием из
T1N.B 4-5,3 раза выше, чем у пластин без покрытия при скорости
резания 40 м/мин, подаче 0,4 мм/об и глубине резания 1 мм.
Исследованиями сравнительной стойкости твердосплавных
пластин ВКб (с покрытием TiN л без него) при обработке
труднообрабатываемых материалов титанового сплава ВТ 14 и
высокопрочной стали марки СП28 установлено, что стойкость
пластин с покрытием выше в среднем в два раза при обработке
сплава марки ВТ14 и в 4 раза при обработке стали марки СП28.
Титановый сплав марки ВТ14 обрабатывали при скорости резания
40-50 м/мин, а сталь марки СП28 - при 84 м/мин.
2.7. Нанесение покрытий конденсацией с ионной
бомбардировкой (Способ КИБ)
Эффективными и относительно простыми в аппаратурном
выполнении являются устройства, основанные на процессах
испарения генерируемого материла катодным пятном вакуумной
дуги - сильноточного низковольтного разряда, развивающегося
исключительно в парах материала электродов.
Пэ способу генерации плазмы вакуумные дуги разделяются на
катодную и аноднуюформы, в которых генерация осуществляется
соответственно катодными или анодными пятнами. Напряжение
в зависимости от материала катода изменяется в пределах 10-30
в пятне от единиц до сотен ампер (в зависимости от материала
катода). Плотность тока энергии составляет 106-107 Вт/см2.
В импульсных режимах при больших импульсах тока (10‘-10*
А) может быть реализована анодная форма вакуумной дуги
плотностью потока энергии Ю’-Ю6 Вт/см2.
заряда ионов) измеряется в пределах от 15 до 80%, возрастая
1 при переходе к более тугоплавким металлам. Теоретическое и
1 экспериментальное изучение характеристик вакуумной дуги, а
1 также решение ряда конструктивных вопросов позволило достиг'-
1 путь в последнее время значительных успехов в реализации
разработанной в Харьковском физико-техническом институте
' технологии нанесения покрытий из плазмы электродугового
' разряда с холодным расходуемым катодом (методом КИБ).
В состав электродугового испарителя входит катод из распы-
ляемого материала, массивный анод, электромагнитная катушка
для ускорения напыляемых частиц и их фокусировки, устройства
для зажигания дуги. Дуговой разряд возбуждается различными
способами. Зажигание дуги осуществляется испарением пленки
между катодом и вспомогательным электродом. В дальнейшем
разряд со вспомогательного электрода переходит в основной
дуговой разряд между анодом и распылительным катодом. Число
катодных пятен пропорционально току дуги. Плотность тока в
пятне чрезвычайно высока и составляет IOS-1O2 А/см2. Харак-
терные размеры катодного пятна составляют 10^-Ю"1 см, а
концентрация мощности в них достигается 107-108 Вт/см2. В
микропятиах на катоде развиваются значительные температуры
и давления. Энергия генерируемых в плазме ионов достигает
нескольких десятков электровольт и зависит от материала катода.
Приложением к деталям,
ЮГО ускоряющего потенци-
величин. Энергия, с которой ионы прибывают на подложку, в
нт«1ительной мере лимитируется
нагревом.
Развиваемые ионами при бомбардировке подложки высокие
локальные температуры и давления при определенных условиях
позволяют получать при распылении графита алмазоподобные
Продукты генерации, фазовый состав которых определяется
в основном видом материала катода, содержат микро- и макро-
•впельную (размеры частиц до нескольких микрон и ниже),
1Ш|ювую и ионизированную фазы. На тугоплавких металлах доля
капельной фазы составляет менее 1% от полного расхода, на
легкоплавких может достигать десятков процентов. Способ КИБ
особенно эффективен для генерации плазмы тугоплавких метал-
Серьезной проблемой, с которой приходится сталкиваться при
Мвктродуговом испарении холодного катода, является эрозия
капель из катодного пятна, вызывающая появление микродефек-
гов в конденсируемой пленке и обусловливающая снижение
вкенлуатационных характеристик покрытий. Причинами появле-
miti капельной фазы являются окклюзия газов, неравномерность
инкро- и макроструктуры распыляемого катода и другие.
Поскольку образ*
в значительной мере
катодном пятне при
вызвано интенсивным газовыделением
повышении температуры, то для уменьшения брызгового эффекта
необходимо проводить тщательную предварительную дегазацию
катодов. Другой способ заключается в обеспечении эффективного
теплообмена с катода с тем, чтобы эрозия материала катода
осуществлялась преимущественно быстро перемещающимися ка-
тодными пятнами. Третий, наиболее кардинальный способ, связан
i устранением локальности разогрева. Кроме того, эффективно
использование устройств для сепарации конденсированной фазы
от основного потока напыляемых частиц.
Способ КИБ (см. рис. 2.5 и 2.6) позволяет синтезировать
покрытия в виде тугоплавких высокотвердых химических соеди-
нений, когда в плазму испаряемого металла вводят активный газ,
который вступает в химическую реакцию с металлом, образуя
новое соединение. В качестве реакционных газов часто приме-
ни ют азот, кислород и другие и получают покрытия соответст-
венно в виде нитридов, карбидов или оксикарбидов металлов.
Требуемые фазовый состав и свойства покрытий регулируют
путем изменения основных параметров процесса - типа, энергии
и плотности потока ионов металла, давления и вида химически
активного газа. При этом первоначальные свойства основы,
упрочняемого материала, практически не изменяются вследствие
иизкотемпературности процесса, что дает возможность обрабаты-
влть конструкционные и
/д равен 170-180А,
иитрида титана /а равен 90-100 А.
Расход материала (гп)при эрозии катода пропорционален току
дуги (Z) и определяется по формуле
где р - коэффициент эрозии катода, который в зависимости от
материала составляет 10~*-l0‘5 г/кул.,
Основные достоинства способа КИБ заключаются в сле-
- возможность нанесения покрытий из любых металлов (в
том числе и тугоплавких - вольфрама, молибдена, ниобия и
других) и их соединений (нитридов, карбидов, оксидов, оксинит-
рндов и т.п.);
- обеспечение высоких адгезионных свойств покрытий за счет
:и|к|х:ктивной очистки поверхности изделий путем ее распыления
Таблица 7.1
Технические характеристики установок для вакуумного напыления способом КИБ
hl I § §
14 I i §
in 1 1
I § i
ji I j i i
II
HU 1, 8 e
4 n 2
8 £
j glib 2
1 Mill i 1
i ( i ! I
§ ? ! 8 § §
§ ? = § S s
5 C >| g i
i 1 1 ! §
1 ! I § §
- **
8 i 2 1 8 8 2 2 Hi 8 2
.8 i 2 2 2 n 8
S g s 8
III 8 8 2 2 di ll M
i i I i 2 g 1 i I! Й .! h
I : i ; i i i I Ih
ускоренными пучками ионов, большой плотности и дальнейшего
перехода непосредственно к процессу осаждения покрытий;
- минимальное коробление и сохранение высокого класса
чистоты поверхности упрочняемых деталей;
- возможность управления процессом нанесения покрытий и
формирования композиционных покрытий с заданным комплек-
сом прочностных и пластических свойств.
В то же время к недостаткам способа КИБ необходимо
- зависимость покрытий от многих параметров технологиче-
ского процесса;
- наличие значительной доли капельной фазы, особенно при
испарении металлов с низкими и средними температурами
плавления;
- трудности в проведении упрочнения мелкоразмерного
инструмента и деталей машин вследствие жесткого режима
ионной обработки;
- недостаточную воспроизводимость качества покрытий.
Теоретическое и экспериментальное изучение характеристик
вакуумной дуги, а также решение ряда конструктивных вопросов
позволило достигнуть в последнее время значительных успехов
в реализации технологии нанесения покрытий из плазмы разряда
с холодным катодом. В СНГ создано несколько типов установок
для вакуумного напыления покрытий способом КИБ и отечест-
венной промышленностью освоен серийный выпуск этих устано-
вок, технические характеристики которых приведены в табл. 7.1.
Установка “Булат-ЗТ" состоит из камеры, системы вакуумной
откачки, испарителей, поворотного устройства, водяной системы
и подставки. Объем камеры установки наиболее эффективно
используется при упрочнении инструмента с малыми размерами
державок или вообще не имеющими их. Повышение эффектив-
соблений (кассет), располагаемых на поворотном устройстве.
Инструмент в кассеты может устанавливаться вне камеры, что
позволяет совместить основное и вспомогательное время при
работе установки.
На установку “Булат-3” продана в США лицензия, по которой
компания Multi-Apk (BTG. Golbadeen Multi-Ark Europe of Conbeld)
поставляет на рынок установки под названием Jon Bond.
Минэлектронпром разработало и успешно выпускает установ-
ку “Юнион”, работающую по тому же принципу, что и установка
“Булат”. Установка “Юнион” состоит из вакуумного блока,
стойки дуговых испарителей и стойки управления. Отличается
компактностью (площадь, необходимая для размещения установ-
ки, составляет 14 м2) и имеет 64 позиции для установки
ммгтром до 30 мм. Продолжительность технологического цикла
Основной проблемой в процессе эксплуатации установок
"IOiihoh'' является обеспечение стабильности свойств получаемых
Ннврыгий. При высокой скорости формировании покрытия очень
ьлнжнн поддерживать выбранные параметры режима, в частности
(•мнературу подложки. Поэтому для обеспечения высокого
вячгсгна покрытий установку “Юнион” следует оснастить сис-
1п11Н1ные СКВ Саратовского завода электротермического обору-
днвпния совместно с ВНИИЭТО, особенно модернизированные
нтпповки типа ННВ. На рис. 2.7 приведена схема установки
llllll 6.6-И1, в которой по сравнению с установкой “Булат-ЗТ"
нанесения покрытия, что особенно важно при упрочнении
инструмента и оснастки из быстрорежущих и других инструмен-
тальных сталей. В настоящее время установки “Булат”, ННВ
комплектуются оптическими пирометрами “Смотрич". Однако
из-за капельной фазы в рабочем пространстве вакуумной камеры
и загрязненности смотрового окна продуктами эрозии катода
показания пирометра зачастую не соответствуют истинной тем-
пературе обрабатываемых деталей.
Поэтому необходимо найти эффективный способ контроля
температуры поверхности подложки в процессе нанесения покры-
тий. Эту проблему разрабатывает ряд организаций и предприятий
страны: Харьковский физико-технический институт (пирометр
ОП-28), НПО “Электрон" (Ленинград), УкрНИИСпецсталь
(г.Запорожье), Куйбышевский поли технический институт и др.
В настоящее время способ КИБ наиболее широко применяется
для реактивного нанесения покрытий из таких твердых матери-
! и окислы титана, циркония, хрома
и других металлов. В результате нанесения покрытий стоимость
металлорежущего инструмента повышается в 2-5 раз в зависи-
мости от типа обрабатываемого материала, режимов обработки
их получения, которые должны выбираться конкретно для
каждого типа инструмента.
Перед нанесением покрытий способом КИБ обычно проводят
ионную обработку поверхности изделий, которая очищается от
загрязнений. Эта обработка преследует несколько целей. Во-пер-
вых, в результате эффекта ионного распыления достигается более
высокая степень очистки поверхности; во-вторых, высокая
плотность ионного потока в процессе обработки вызывает за
счет передачи энергии интенсивный разогрев изделий. Повыше-
обработки на поверхности изделий формируется тонкий переход-
ный диффузионный слой между подложкой и покрытием.
Изменение физических свойств изделия в результате ионной
обработки является функцией параметров облучения: плотности
ионного тока и ускоряющего напряжения.
Такая зависимость обусловлена перестройкой при поверхности
области изделия за счет напыления ее атомами титана, форми-
рования тонкого переходного слоя на поверхности и изменения
состояния его кристаллической решетки. Совокупность этих
жений, возникающих впоследствии на границе раздела покры-
тие-изделие.
лтваос]мк
Ионное облучение не только приводит к очистке поверхности
значительной степени изменяет свойства самого изделия.
Микротвердость покрытия TiN,нанесенного на сталь У8, имеет
покрытие-подложка, и возрастает с удалением от нее. На
расстоянии 3 мкм от границы микротвердость равна 12,7 ГПа,
5 мкм - 21,0 ГПа. Дальнейшее увеличение расстояния от границы
не приводит к изменению значений микротвердости.
Покрытия из нитрида титана, получаемые по технологии
КИБ, формируются при обязательном контроле таких техноло-
ература
варьирование этих параметров приводит к изменению характе-
ристик плазменного потока, условий его конденсации на повер-
хности изделия, последующего роста пленки и, как следствие, к
образованию покрытий с различными свойствами.
1,3 Па уменьшается уровень микроискажений решетки, растет
се параметр, приближаясь к :
I для нитрида
титана стехиометрического состава (а-0,42 нм). Формирование
покрытия стехиометрического состава происходит при более
равновесных условиях. Это приводит к снижению хрупкости при
достаточно высоких значениях температуры, что обеспечивает
увеличение стойкости инструмента.
Следует отметить, что оптимальное значение давления реак-
ционного газа в рабочей камере должно определяться в каждом
конкретном случае. Его величина зависит от состава катода и
технологических параметров определенной установки.
Рост значений тоха горения дуги в первую очередь приводит
к изменению плотности ионного тока в плазме (табл. 7.2). В
результате изменяется скорость осаждения покрытия и его
физические свойства. При различных значениях тока горения
дуги в пределах 60+120 А (установка ВУ-1Б, материал катода -
титан) плотность тока составляет 3,1+9,5 мА/см’.
Зависимость скорости охлаждения покрытия от величины тока
горения дуги _ носит линейный характер, в то время как
постоянная кристаллической решетки покрытия и полуширина
дифракционных максимумов изменяются нелинейно. Такое раз-
функцией плотности ионного тока и изменение остальных
параметров обусловлено изменением стехиометрического состава
покрытия за счет роста концентрации в нем атомов титана.
Анализируя изменение стойкости покрытий из нитрида тита-
Известно, что последняя образуется в результате перегрева
дуги. Есть определения доли площади, занятой капельной фазой
от тока. При этом следует отметить, что по мере увеличения
тока горения дуги ие только изменяется общая площадь повер-
хности, занятой каплями, во и происходит их перераспределение
по размерам. В результате такого перераспределения с ростом
тока горения дуги увеличивается доля крупных капель (8-12
мкм). Так, при 1=90А капли имеют размер 1-6 мкм, при 1=120 А -
3-9, мкм рп 1=140 А - 6-12 мкм.
Присутствие капельной фазы является наиболее существен-
ным недостатком метода КИБ, так как капли служат источ-
никами локальных напряжений в покрытиях и наиболее вероят-
ными местами, с которых начинается их разрушение. Выбор
технологических режимов, при которых образование капельной
ских параметров установки и свойств материала катода.
Осаждение покрытия происходит при повышенных темпера-
турах (200-600“С). Это способствует получению покрытий, одно-
родных по составу, структуре и свойствам. Температурные
тия и изменяются со временем в зависимости от температуры
разогрева изделия во время иоилой обработки.
Изменение температурного режима в процессе осаждения
приводит к различным условиям роста пленки в каждый
изменения
зытия, при котором
ми, выбирается в
зависимости от технологических параметров установки и массы
Правильный выбор режимов нанесения покрытия позволяет
значительно увеличить срок службы различных деталей, машин
и инструмента. Так, нанесение покрытия из нитрида титана на
резцы, изготовленные из различных марок быстрорежущей стали,
значительно увеличивает их износостойкость.
Характерной особенностью инструмента с покрытием является
возможность его дальнейшего использования после переточки.
В ВПТИ электро упрочнение инструмента и оснастки осущес-
твляется на установках типа “Булат". Разработаны технологи-
ческие процессы нанесения износостойких покрытий на установ-
ках ИЭТ-8-И1, ИЭТ-8-И2, “Булат-ЗТ", ВУ-2Б.
Результаты испытаний режущего инструмента из быстроре-
жущей стали Р6М5 с покрытием из TiN показали повышение
стойкости резцов, фрез, сверл в среднем на 100% при незначи-
тельном разбросе данных. Промышленные испытания упрочнен-
ного инструмента, проведенные на Сестрорецком инструменталь-
iwuie Минэнергопрома, ЛПЭО “Электросила” и ряде других
сги режущего инструмента с покрытием из TiN по сравнению с
непокрытым в 1,8-4,0 раза.
Установки типа ННВ-6.6-И1 успешно эксплуатируются на
Московском инструментальном заводе, заводе “Фрезер” и других
предприятиях.
В отличие от электродуговых испарителей, обладающих в
значительной мере изотопным разлетом продуктов генерации и
имеющих невысокий коэффициент использования массы и нере-
гулируемый фазовый состав продуктов генерации, плазменные
ускорители обеспечивают формирование сфокусированных, прак-
тически полностью ионизированных и ускоренных независимо от
технологического объекта плазменных потоков. Вследствие этого
при равных значениях электрической мощности плазменные
ускорители обладают значительно более высокой производитель-
ностью, а более высокая степень ионизации плазменного потока
обеспечивает ги
током и более эффективное
протекание процессов синтеза. Кроме того, в отличие от
элсктродуговых испарителей плазменные ускорители обеспечива-
ют осуществление процесса конденсации с высокой энергией ионов
пи любые изделия, в том числе и выполненные из непроводящих
материалов, а также формирование слоев непроводящих матери-
алов на изделиях без приложения к ним ускоряющего потенциала.
Принципиальная схема установки с плазменным ускорителем
заряженных частиц показана на рис. 2.10.
Используемый в установках типа “ПУСК" так называемый
холловский торцевой эрозионный плазменный ускоритель пред-
ставляет собой коаксиальную систему принудительно охлаждае-
мых электродов - центральный катод с торцевой рабочей
поверхностью, выполненный из материала, переводимого в
разряде в плазменное состояние, наружный медный анод,
выполненный в виде конического сопла, и соленоид, при помощи
которого на объем ускорителя накладывается внешнее аксиаль-
>ю-расходящевся магнитное поле (рис. 2.9).
Процесс
покрытий заключается в
вакур
ДУГ
разряда
яние, автосепарации и ускорении плазменного потока (в резуль-
тате взаимодействия с наложенным на плазму магнитным полем)
в направлении покрываемых изделий, обеспечении плазмохими-
ческой реакции с подаваемым в камеру реактивным газом,
например, азотом, где ионы плазменного потока дополнительно
ускоряются в результате
приложения к изделиям от-
рицательного потенциала.
При работе ускорителя
разряд диффузионно распре-
и этот электрод не эроди-
рует. Материал, обра-
зующий плазменную струю,
выходящую из ускорителя
через срез анода, испаряет-
ся с интегрально холодной
и твердой поверхности ка-
тода в катодных микро пят-
нах в виде так называемых
чсстве рабочих веществ ис-
пользуются различные про-
Выходящая из ускорителя
плазменная струя может
вступать в плазмохимиче-
скую реакцию с рабочим
газом и конденсироваться
на различных поверхностях с образованием слоев соответст-
вующих материалов.
При работе в режиме генератора (при выключенной магнит-
ной катушке) катодные пятна удерживаются на торцевой
рабочей поверхности катода с помощью экрана, охватывающего
пятнах, число которых пропорционально току и которые хаоти-
нескольких десятых до единиц метров в секунду, плотность тока
составляет 106-107 А/см2 при величине тока в пятне от единиц
до сотен ампер (в зависимости от материала катода). При этом
локальная плотность потока мощности в микропятне достигает
генерационных процессов плазмы материала катодов, изготов-
ленных из любых, в том числе тугоплавких, проводящих
материалов. В стационарном режиме горения ток мощности в
поверхности рабочей температуры электрода.
Скорость эрозии (расход) т катода регулируется изменением
силы тока т=|1/, где коэффициент пропорциональности ц в
«вгкял эффективность процесса регенерации в расчете на
единицу массы e-JV/m составляет (1+5)10* Дж/r, а в расчете на
один генерируемый атом X-JVma/in - 736+775 эВ/атом.
Режим плазменного ускорителя реализуется при наложении
на объем ускорителя внешнего аксиально расходящегося магнит-
режиме работает установка ПУСК-87.
Той магнитного поля Вг появляются эффекты до ускорения
ускоренных ионов, достигающей значений 100-150 эВ при
11-30-40 Гс. При холловском ускорении полная величина уско-
рявшей силы дается выражением
F=aWcTeJB. о
WeTe-bBTew/n
n-J, получим E“B4/J2. т.е. режим ускорения ионов
изменяются в диапазонах: электрическая мощность -
N^-1+Ю кВт. V=20+50 В, 5=50*600 А, В=0-100 Гс,
плотность ионного тока в струе у-0,01-0,1 А/см2,
энергия ускоренных и конденсирующихся ионов Е—10—
500 эВ, скорость конденсации Vk=0.1-0,0I мкм/с.
Таким образом, применениехолловскоготорцевогоэрозийного
плазменного ускорителя позволяет:
- сфокусировать плазменный поток;
- значительно повысить его ионизацию;
- повысить энергию ионов в результате их дополнительного
ускорения;
- повысить к.п.д. использования массы;
- значительно (в 5-10 раз) уменьшить количество микрока-
псльной фазы (явление автосепарации), ухудшающей качество
покрытий;
- повысить стабильность горения дуги;
приложения к ним высокочастотного потенциала;
- наносить диэлектрические покрытия (например, окись
алюминия).
В технико-экономическом плане все это позволяет увеличить
скорость роста покрытия от 0,1-0,2 мкм/мии до 0,5-1 мкм/мин,
деталей повышает производительность оборудования в десятки
раз при обеспечении как минимум равного качества покрытий,
хотя имеются физические предпосылки (большой процент ионн
зации, меньшей процент микрокапельной фазы и др.) для
создания более качественных покрытий.
Для ускорения ионов до высоких энергий с целью очистки
поверхности покрываемых деталей в результате распыления
бомбардирующими ионами между этими деталями и электродами
ускорителя с помощью автономного регулируемого источники
создается напряжение до 1 кВ. Перед поверхностью конденсации
установлен газовый коллектор с отверстиями, обеспечивающий
регулируемую подачу реакционных газов для проведения плаз
мохимических реакций при формировании покрытия из веществ
сложного состава.
С помощью холловского торцевого эрозионного плазменного
ускорителя можно получать качественные покрытия как на
обрабатывающем инструменте, так и на деталях узлов трения.
Холловский с холодными расходуемыми катодами ускоритель был
заложен в основу установки “Пуск-87-1”, разработанную в
НИИТавтопроме.
Характерные параметры ускорителя изменяются в диапазо-
- Электрическая мощность N^-1+lO кВт;
- Напряжение горения дуги V=20+50 В;
- Ток дуга >5+600 А;
- Плотность ионного тока в струе У;=0,01+0,1 А/см2;
- Скорость конденсации Vk=0.01+0,l мкм/с
Установка“Пуск-87-1” состоит из следующих основных узлов:
1. Камера - 2 шт.
2. Крышка с кассетой - 2 шт. »
3. Ускоритель - 2 шт.
4. Система водоохлаждения.
5. Вакуумная система.
6. Система регулировки давления. яс
7. Газовая система.
8. Источники питания.
НПО “НИИтракторосельхозмаш", НПО “ПИИТА” и завода-
ми топливной аппаратуры выполнены работы по внедрению
лительных топливных насосов НД-21/4 и НД-22/6. Проведены
работы по разработке технологии получения износостойких
покрытий с нагревом деталей нс выше 200'С и в частности с
использованием установок типа “Плазменный котел”. Решение
этой проблемы позволит существенно расширить номенклатуру
упрочняемых методом вакуумной ионно-плазменной технологии
деталей двигателей, тракторов и с/х машин.
1.Я. Ионно-лучевое модифицирование поверхности
II последние годы резко усилился интерес к ионно-лучевому
верифицированию покрытий (поверхностей) - (П), предпола-
1иинцсму применение ионно-лучевой обработки (ИЛО) покрыва-
•мой детали. Бомбардировка пуч
ости подлож-
•II до осаждения П позволяет очистить ее от загрязнений,
активировать. Облучение в процессе осаждения или после
нянсссния П дает возможность целенаправленно изменять его
химический состав, а также структурно-фазовое состояние.
№ пользование высокоэнергетических ионных пучков (£-10**10*
>11) позволяет сформировать в П состояние, не достижимое при
других способах получения П. ,
1. Оборудование
Установки
гея по конструкции
М компоновке отдельных систем, по типу применяемых ионных
Источников и приемных камер, величинам генерируемою ионного
тока, достижимой энергии ионов и дозам вводимой примеси. На
Современном этапе сложились три основных типа имплантацион-
ных установок: малых и средних доз; больших доз с интенсивными
ионными пучками; высокоэнергетических. Установки малых и
средних доз характеризуются пучками интенсивностью от единиц
до 0,5+0,8 мА. В сильноточных установках больших доз ионный
пучок достигает нескольких миллиампер (1-20 mA). Оба типа
установок работают в области энергий от 30 до 200 кэВ. В
установках третьей группы достигаются энергии 1 МэВ и более.
Установка для ионной имплантации, как правило, состоит из
ионного источника, масс-сепаратора, системы ускорения, системы
сканирования пучка, камеры обработки деталей и вакуумной
системы. Представителями отечественного оборудования являют-
ся установки для ионного легирования типа “Везувий”.
В простейшем случае ионно-лучевая установка состоит из
ионного источника и приемной камеры, в которой устанаалнва-
игтся обрабатываемые детали или заготовки. Основными узлами
ионного источника являются ионно-оптическая система и разряд-
ная камера, в которой происходит ионизация газообразного
рабочего вещества. Последнее может быть получено испарением,
сублимацией, распылением и другими способами.
Давление рабочего газа в камере обычно составляет 10‘2-10
Па. Напряжение между катодом и анодом обычно составляет
около 50 В. Ионы, эмиттируемые источником, обычно имеют
энергию порядка 10’‘-10* эВ с разбросом нс более 5-10 эВ.
' Наиболее
для импланта
ции являются следующие: Е-20-200 кэВ, ионный ток Л=О,5-5мА,
давление остаточных газов в приемной камере Р-10*4 Па,
температура обрабатываемой детали 1=20-600‘С. На этих установ-
ках можно обрабатывать детали размером от 10 до 103 мм.
Типичная доза облучения D-101’ ион/см2.
Разработаны высокоинтенсивные источники, испускающие
непрерывные пучки ионов азота с JS200 мА при Е-40 кэВ и
1S400 мА при Е-20 кэВ. В университете шт. Колорадо (США)
созданы источники,:
етром 100
достигать J=l,5 мА/см2 Температура поверхностного слоя облу-
чаемой детали (t) при бомбардировке высокоинтенсивным пучком
может резко увеличиваться. При облучении в течение 11 с
коррозийно-стойкой стали пучком ионов азота с Е=60 кэВ,
1=1,5 мА/см2 возрастает до 450°С, при бомбардировке стали 01
пучком N2+ с, Е-60 кэВ, 1=0,7 йА/см2 в течение 5 мин
(0=1,3 ион/см2) (образцов достигала 800’С.
При традиционных для ионной имплантации режимах (Е-20-
200 кэВ), J=10°-10l мкА/см2, Т=20*С величина Rp-102-10-‘ мкм.
Анализ экспериментальных данных показывает, что при у-Ю1’-
10“ ион/см2 максимальная концентрация имплантированного
элемента составляет величину порядка lO’-lO1 ат.%.
ионов из плазмы, их ускорение и формирование направленного
ионного пучка (луча).
Существуют и другие типы ионных источников, в том числе
с высокой энергией (Е>104 эВ) (3).
В общем случае ионно-лучевая установка содержит также
тор,
из ионного пучка, геве-
ускоритель (для получения ионов с Е>50 кэВ); систему скани-
рования пучка.
Наиболее типичными параметрами установок для имплан-
тации являются следующие: Б-20+200 кэВ; ионный ток J=0,5+5
мА; давление остаточных газов в приемной камере Р-10"4 Па;
температура обрабатываемой детали Т=20-600’С. На этих уста-
новках можно обрабатывать детали размером от 10 до 10* мм.
Типичная доза облучения D-1017 ион/см2.
2. Схемы (разновидности) процессов
Описанные выше установки позволяют проводить ИЛО до
И /мл и после осаждения П. Однако наиболее целесообразно
кнамещение процессов осаждения и бомбардировки ионным
Пучком в одной установке. Применяются две основные схемы
рсиждения П с одновременным облучением подложки пучком
Первая схема предусматривает облучение мишени ионным
Пучком, формируемым источником, распыление ее и осаждение
ройкой ионным пучком, испускаемым вторым ионным источни-
ком. Ионные пучки при этом могут иметь разные энергию и
интенсивность, например, первый источник испускает пучок
Ионов Аг* с Е-1,5 кэВ, второй источник - пучок ионов N2* с
В-ЮИ 00 эВ. Давление в рабочей камере составляет до осаждения
II 6-1 О*6 Па, в процессе осаждения - 10*4 Па. Предусмотрены
мишень и подложку из сапфира, а также нагрев последней до
7(Ю’С. Скорость осаждения П из А1 составляла величину порядка
Вторая схема предполагает размещение источника ионов в
рабочей камере установки для получения П методом электрон-
но-лучевого испарения. При облучении электронным пучком
происходит испарение материала из испарителя, пар распрост-
раняется по направлению к обрабатываемой детали, укрепленной
мл подложкодержателе и конденсируется на ней. Одновременно
пучок ионов бомбардирует поверхность растущего П.
Давление в камере, необходимое для работы ионного источ-
ника обычно составляет 10'3-10*2 Па, что вполне соизмеримо с
Подобную установку используют для нанесения на поверхность
В результате откачки в камере создавалось разрежение
РвбД-Ю"5 Па. При осаждении П давление увеличилось до уровня
ками называют тонкие П (с толщиной
nSl мкм). В Nc кубической структурой испарением и конденса-
цией паров бора с одновременной бомбардировкой покрываемой
детали пучком ионов азота с Е-0,5+5 кэВ. Данный способ
позволяет получать пленки с гладкой поверхностью и высокой
твердостью.
Пленки АЦО3 и A1N наносили на подложки из Si или сапфи|м
с применением микроволнового источника ионов реактивного ni:u
и источника пуска составляла величину порядка 10%, ускп
ряющее напряжение - 0,5*2 кВ. Микроволновый ионный истов
ник характеризуется очень высокой плотностью плазмы
разрядной камере и высокой эффективностью экстракции ионон
Напряжение на вытягивающем электроде источника достигал"
3+15 хС. Пучок ионов (в основном молекулярных) фокусирую.
ионов снижается при этом до 10-102 эВ. Основным преимущес
твои данного способа является низкая температура формирования
соединений, что обусловлено высокой кинетической энергией и
ионизацией взаимодействующих частиц. Кроме того, данный
способ позволяет независимо варьировать в широком интервал,
параметры кластерного и ионного пучков. Получены пленки AIN
и А12О3 с высокими термической стабильностью и коррозионной
стойкостью. В ряде случаев пленка AIN имеет аморфную
структуру.
осаждением ионов из пупка, испущенного ионным истопником и
при необходимости подвергнутого сепарации. Разработан способ
формирования алмазоподобного углеродистого П на твердом
сплаве WC-Co. П наносят, облучая подложку пупком ионов 12С
приблизительно 6,3 им/с. Толщину П варьируют от 5 до 7,5
Все способы ионно-лучевого модифицирования П можно
разделить на две основные группы. К первой относятся способы,
заключающиеся в осаждении материала с одновременным облу-
чением растущего П ионным пучком, ко второй - способы, в
которых ИЛО и процесс осаждения производится последователь-
но. В некоторых случаях для получения П достаточно лишь одной
ИЛО.
. 3. Осаждение с одновременной бомбардировкой пучком ионов
Способ осаждения с
кой пупком
ионов используется для получения П из SijN4 осаждением Si и
бомбардировкой подложки ионами азота с Е-630 эВ. В настоящее
время известно о применении этого метода для нанесения П из
нитридов оксидов. . —
Итткство о формировании П Са-Опри осаждении из пара Си
| нбпучснии подложки пучком ионов 0$ с Е = 100 эВ, причем
найм образом можно получить оксиды СиО, Си2О. а также
II 1IN наносят на стальн
|№> II а атмосфере N, с
мини N‘ с Е = 30 кэВ или ионов ТГс В-40+190 кэВ. Полученные
II шличакпея от нанесенных способом реактивного испарения
«мчтпельно меньшей загрязненностью кислородом (приблизи-
тальнп в 3 раза) и более высокой плотностью (в 1,5 раза).
Модифицированные ИЛО П по сравнению с полученными
ИНнобпми реактивного испарения и распыления обладают также
цнчмилыю высокой пластичностью. Следует подчеркнуть, что
Ийкой из причин высокой адгезионной прочности П, модифици-
puiuiHiioro TIN, является проведение ИЛО подложки до осаждения.
<Х1|>п.|цы облучали пучком ионов N* (Е = 30 кэВ) или Ti* (Е-40
Mill с D-1016 ион/см2 с целью очистки их поверхности от
МЧП легировать поверхностный слой стальных образцов азотом
ИЛИ титаном.
Иниду высокой адгезионной прочности П, полученных осаж-
яуинем из пара с одновременной бомбардировкой ионным пучком,
предложен новый способ металлизации алмазов. Установка для
шшчсния металлического П на алмазы представляет собой
яяяуумпую камеру, в нижней части которой установлены элек-
тронно-лучевой испаритель и источник ионов (газов и металлов).
формируется при конденсации паров металла с одновременной
Войной бомбардировкой. Высокая адгезионная прочность обуслов-
Мкн ионнолучевым перемешиванием компонентов П и подложки
М начальном этапе процесса осаждения.
„ 2.9. Модифицирование покрытий посредством
ионно-лучевой обработки (или) после процесса
осаждения
Для ИЛО подложки используют пучки ионов с Е 102+104 эВ.
Бомбардировка ионами с Е S 103 эВ приводит к распылению сс
поверхностного слоя. При Е а Ю4 эВ одновременно происходят
ионная имплантация и распыление. Таким образом, ИЛО детали
до нанесения П позволяет очистить от загрязнений и активизм
ровать ее поверхность, провести ионное легирование. Кроме того.
ИЛО допускает формирование на поверхности требуемого рель-
ефа. Все это приводит к росту адгезионной прочности осажден-
Обработка пучком ионов инертного газа с Е-103 эВ даст
свойства материалов.
Характер влияния ИЛО на кинетику процессов химосорбции
и окисления сплавов определяют в основном такие факторы, как
изменение состава облучаемой поверхности вследствие селектив-
ного распыления и имплантации ионов.
Вследствие селективного распыления поверхность может
обогащаться
элементами, а радиационные
числа карбидных частиц.
имплантацию водорода в поверхностный слой покрываемой
детали. Это исключает необходимость введения Н2в реакционную
газовую смесь, а формирование П происходит только на тех
участках поверхности детали, которые содержат водород.
Технологические возможности ИЛО подложки весьма широки.
Однако в большинстве работ ионно-лучевое модифицирование П
проводится путем их ионного легирования, т.е. введения леги-
рующих элементов с помощью ионной имплантации.
В последнее время многие сплавы удалось аморфизировать
при облучении ионами высоких энергий. Аморфизация материа-
лов при ионном облучении (скорость охлаждения V-IO'MO14
К/с) широко изучается.
Ионная имплантация (ИИ) азота в режущий инструмент и
штампы нашла практическое применение. Хорошие результаты
достигаются при сочетании процессов осаждения Сг-П и ИИ
азота. Износостойкость П, подвергнутых ионнолучевому модифи-
цированию увеличивается в несколько раз.
Положительный эффект имплантации наблюдается и после
уделения ионно-легированного слоя. ИЛО пучком ионов азота
Иолноляет снизить износ П при скольжении со смазкой по
не галлам с высокой твердостью, а также повысить сопротивление
Мек грохимической коррозии.
Ионнолучевое модифицирование приводит к увеличению
ШШогостойкости П FeTi.
ИЛО позволяет провести атомное перемешивание Ni и Nb и
Нанесение покрытий
с помощью ИЛО деталей и инструмента
Облучение детали (заготовки) пучком ионов производится с
цгл1.|о изменениясостоянияееповерхностногослоя. Если энергия
ионов невелика (Е £ 102 эВ), то в результате их осаждения на
поверхность подложки формируется П. Например, нанесение на
Поверхность твердого сплава WC-Сотолщивой 5-7,5 мкм проис-
япдит в результате облучения пучком ионов 12С* с Е - 500 эВ.
При этом достигается высокий предел упругости С-П.
изнашиванию.
Технолога-машиностроителя при использовании ионной им-
плантации интересуют прежде всего следующие вопросы:
- связь энергии ионов с пробегом иона в обрабатываемом
внедрен
в материал ионов;
- влияние образующих при облучении дефектов на структуру
и механические свойства облученного материала и условия
ликвидации этих дефектов;
- возможность придания поверхности материала и изделия
возможности применить метод в каждом
Для глубокого (объемного) внедрения ионов применяются
пучки с энергией ионов от 10 кэВ до нескольких сотен кэВ.
С помощью этого метода можно легировать металлы практи-
чески любыми элементами, независимо от их взаимной раство-
римости. Ионное легирование осуществляется введением атомов
в поверхностный слой детали посредством бомбардировки ее
ионами с энергией от килоэлсктроиовольт до мегаэлектроиовольт.
Процесс ионного легирования производится в вакууме, он
обладает всеми преимуществами неравновесного процесса.
Для обработки поверхностного слоя материала с целью
повышения износостойкости используется ускоренный поток
ионизированных атомов. Глубина проникновения ускоренных
ионов составляет примерно 0,1 мкм. Проникновение ионов в
глубь материала осуществляется за счет высокой кинетической
энергии частиц и не требует высокой температуры. Энергия
ионизированных атомов в 106 раз выше энергии атомов при
тепловой диффузии. В процессе обработки осуществляется мо-
дификация химических и физических свойств тонкого поверхно-
стного слоя без изменения первоначальных размеров образца.
Ионную имплантацию применяют для изменения триботехниче-
прочности сцепления покрытия с основой.
Важными параметрами внедрения ионов азота являются:
- энергия внедрения (кэВ),
- поток (доза) (И/см2) (И - ион),
- плотность тока (МкА/см2).
Заключенная в пределах от нескольких десятков до несколь-
ких сотен кэВ энергия внедрения оказывает влияние на распре-
деление внедряемых ионов.
При заданной энергии внедрения увеличение потока изменяет
максимальное содержание азота. Для энергии кэВ насыщение
наступает при 2-10” W/см, что соответствует оптимуму улуч-
шения износоустойчивости.
Время внедрения пропорционально плотности тока. Выбор
оптимальной плотности тока производится в зависимости от:
материала, подвергающегося внедрению, объема объекта и гео-
Исследование сталей с помощью электронной микроскопии и
эффекта Мессбауэра позволило выявить образование нитридов
после внедрения азота. Эти нитриды, такие, например, как
нитрид железа, обладают очень большой плотностью и малыми
вшихся нитридов, благоприятно
оустойчивости, зависит от леги-
зергающейся внедрению.
иных нарушений в кристалличе-
влияющих на уз
ской решетке поверхностного слоя заметно превышает толщину
легированного слоя и составляет 10-200 мкм.
Ионное легирование позволяет существенно улучшать сле-
дующие эксплуатационные свойства деталей машин:
- сопротивление коррозии, кавитации, эрозии, усталости;
- жаростойкость, твердость, износостойкость, фрикционные.
За рубежом метод имплантации нашел применение в Вели-
кобритании, США, Японии, Италии и др. странах. « .—w...
В автомобильной промышленности Великобритании стойкость
стальных пресс-форм и паунсонов для штамповки колец после
ионной имплантации азотом увеличена в 10 раз по сравнению
со стойкостью той же оснастки, защищенной хромовым электро-
покрытием.
Поверхностному упрочнению путем имплантации различных
.♦лсментов (главным образом ионов азота) подвергают различный
вырубной инструмент, фрезы, сверла, подшипники, валки про-
катных станов и другие детали. Имплантация ионов углерода
применяется для упрочнения инструмента и оснастки из сплавов
кобальта с карбидами вольфрама. В результате ионной имплан-
тации углерода в указанные сплавы стойкость фильер для
протяжки проволоки из стали и цветных металлов увеличивается
У прочий юте я также фильеры для производства колесных
Фирма Давти Силз применяет имплантацию азота для
повышения стойкости ножей, используемых для резки синтети-
330000 резов вместо 30000 для обычных ножей. Имеются
сведения о промышленном использовании метода ионной имп-
лантации и на предприятиях фирмы Вестингауз.
В США предложен метод ионной имплантации для нанесения
защитных покрытий на ленточных пилах. На зубчатую сторону
пилы наносят покрытия из титана или других тугоплавких
металлов.
В программах Министерства обороны США, а также програм-
мах Военно-морской исследовательской лаборатории США ионная
имплантация используется для повышения циклической прочно-
сти и износостойкости подшипников винтов вертолетов, деталей
газотурбинных двигателей и других деталей.
Для машиностроительных отраслей промышленности процесс
становится экономически выгодным при интенсивности пучков в
несколько (5-10) миллиампер. Кроме того, поскольку детали
часто имеют значительные размеры и сложную форму, требуется
набор ионов в том числе и металлических. За рубежом ведется
(шзработка оборудования для ионной имплантации. Примером
маломощной установки может служить установка Pimento, по-
строенная в Харуэлле (Великобритания) с диапазоном энергии
10-100 кэВ и пучком 5 цА, с площадью камеры 45x45 см2.
Первый промышленный образец более мощной установки
также построен в Харуэлле.
Рабочий размер камеры этой установки: диаметр 2,5 м, длина
> м. Максимально дистижимый вакуум 133-1 О*7 Па, нормальное
рабочее давление 133-10‘5 Па.
Установка предназначена для имплантации сравнительно
небольшого набора ионов азота, углерода, окиси углерода, неона,
но пучок ионов мощный, достигает 10-12 мА. Ведутся работы по
созданию новых, еще более мощных установок.
Находит при!
ИЗНОСОСТОЙКОСТИ I
для повышения
шт. Колорадо, 80201 (США».
Подшипники, изготовленные из стали марки 52100, весьма
чувствительны к износу при трении, что приводит к сокращению
срока службы деталей космических систем. Для увеличения
износостойкости стали марки 52100 применялась имплантация
У подшипниковой стали марки 52100с имплантированными
ионами хрома увеличивается коррозионная стойкость. Имплан-
тация титана позволяет увел
нюю поверхность цилиндров и шарикоподшипников подвергали
имплантации ионами титана при следующих параметрах: полное
расчетное количество - 1017 ион/см2, энергия ускорения 150 кэВ.
В случае имплантированных ионами титана цилиндров и шари-
коподшипников наблюдается уменьшение статического коэффи-
циента трения на 24% и коэффициента трения скольжения на
11%. Износостойкость стали А Е 52100 (США) после импланта-
ции ионами Ti,Ar,Nn Те повышается при трении без смазочного
материала и при трении в смазочной среде. В процессе
имплантации ионами азота поток ионов сообщает катоду энергию,
достаточную для его нагревания до температуры азотирования.
Разработан способ повышения износостойкости и увеличения
срока службы инструмента из высоколегированных сталей путем
нанесения покрытий (США). Поверхность инструмента очищают
ионным травлением в вакуумной камере (0,01 Па), наносят слой
Ti толщиной 400-800 мм, одновременно имплантируют ионы с
энергией 200-400 кэВ и ионы с энергией 30-60 кэВ. Доза
имплантированных ионов N-1017-1018 ион/см2. Ионы инертного
газа обеспечивают интенсивную диффузию наносимого Ti в
основу, что обеспечивает хорошую сцепляемостъ. Расположенная
в Денвере, штат Миннесота, фирма “Цимет", являющаяся
филиалом корпорации “Итон", разработала и в настоящее время
ввела в строй систему ионной имплантации, называемую Z-100.
для обработки режущего инструмента и прессформ.
Система ионной имплантации с микропроцессорным управле-
нием, разработанным фирмой “Цимет”, способна обрабатывать
детали любой формы с наибольшими размерами, равными 8
дюймам (20,36 см). Ширина, длина, высота устройства состав-
ляют соответственно 111, 58 и 76 дюймов (273,34x147^.36x193,04
см). Использование специального удерживающего устройства -
захвата, выпускаемого под торговой маркой “Кул-Грип”, - дает
возможность обрабатывать сотни небольших инструментов единой
:гтот захват для обеспечения низкотемпературного режима обра-
Процесс, разработанный фирмой “Цимет", начинается с
подачи небольшого потока азота в ионный источник. Электроны
испускаются с высокой скоростью горячей вольфрамовой нитью
формируя таким образом ионы. Ионы азота фиксируются в пучок,
а затем ускоряются до 100 кВ.
Метод ионной имплантации имеет рад существенных пре-
имуществ в сравнении с методами нанесения покрытий и
термической обработкой.
Как нанесение покрытий, так и термическая обработка, могут
ржущего
туре, представляет собой весьма жизнеспоа>бную альтернативу
указанным методам в тех случаях, когда особое внимание
уделяется точности формы и размеров инструмента.
якорями, прочно сцепляясь с такими структурными дефектами,
как например, дислокации. Путей имплантации ионов в повер-
(эффект,
хностный слой матер
дающий преимущества, подобные тем, что обеспечиваются уп-
рочняющей дробеструйной обработкой), которое снижает тен-
денцию к возникновению поверхностных трещин.
нтальной стали некоторые ионы азота
соединения с легирующими элемен-
тами (например, хромом и ванадием), что приводит к возникно-
вению чрезвычайно прочных нитридов.
Обработанные ионной имплантацией коронки буров, исполь-
зуемых для высверливания отверстий в печатных платах их
эпоксадной смолы, армированной стекловолокном, служат долы-
ше обычного, самозатачиваются я для них характерен рабочий
режим с более низкой температурой.
В США сверла из твердых сплавов, обработанные ионами
азота, служат в 2-3 раза дольше обычных при ежегодной
экономии, превышающей 100 тыс. долларов. При их применении
обеспечивается более низкая температура при сверлении, что
существенно важнее для многих производителей электронной
техники.
Необработанные сверла обычно работают при температуре
190‘С.что приводит к загрязнению эпоксидной смолой отверстия
после того, как сверло выходит из него. Это приводит к
необходимости использовать на следующем этапе процесс очи-
стки, который связан с
денежных средств, а также с необходимостью применения
травления горячей серной кислотой для системы плазменного
травления - грязных и опасных процессов, требующих примене-
ния вредных химикатов.
Использование сверл, обработанных ионной имплантацией,
позволяет избавиться от процесса очистки. Уменьшение трения
между сверлом и обрабатываемым материалом снижает рабочую
температуру сверла до 70’С.
Ионная имплантация увеличивает срок службы волочильных
матриц, твердосплавных матриц.
Преимущества процесса осаждения ионного покрытия из
нитрида титана на режущий инструмент заключается в том, что
покрытие обладает высокой твердостью, износостойкостью и
малым коэффициентом трения, стойкость инструмента за счет
спиральные сверла, развертки, фрезы, прошивки. При переточке
инструмента с покрытием он сохраняет на 75-80% свою
начальную стойкость. Можно осаждать покрытие на инструменты
Этот метод наиболее широко используется в полупроводни-
ковой промышленности.
Одной из причин этого является то, что для изменения свойств
полупроводников требуются гораздо меньшие дозы ионов.
дозы 10 -1015 ион/см2, для протекания фазовых превращений -
10ls-1017 ион/см2, для синтеза новых фаз более 101’ ион/см2. В
случае изменения свойств поверхностей металлов дозы имплан-
тируемых ионов должны быть на два-три порядка выше и, как
правило, колебаться от 1017 до 10" ион/см2.
Производительность метода зависит от технологических па-
раметров установки и, в первую очередь, от плотности тока
ионного пучка. При плотности тока порядка 10'6 А/см2 для
получения дозы 10M-10w ион/см2 требуется период в несколько
недель, при плотностях тока 10‘3 А/см2 указанная доза может
быть получена в течение нескольких минут. Толщина ионно-ле-
гированного слоя пропорциональна энергии ускоренных ионов,
атомному номеру материала мишени и обратно пропорциональна
атомной плотности материала детали. Для энергии ионов
50-200 кэВ толщина ионно-лепи роваиного слоя конструкционных
материалов составляет 1-10 мкм.
НПО “НИИтракторсельмаш" проводится работа по облуче-
нию различных материалов (сталей ШХ15, 40Х, XBD стацио-
нарными потоками азотной плазмы, создаваемыми электродина-
мическим ускорителем плазмы.
Получены положительные результаты по износостойкости
упрочненных слоев по сравнению с традиционными методами
термической и химико-термической обработки.
Экспериментальному и теоретическому изучению различных
аспектов взаимодействия пучков ускоренных ионов с поверхно-
стью твердого тела в настоящее время посвящено огромное число
работ как за рубежом, так и в России. В нашем же случае мы
ограничимся констатацией результатов практического примене-i
ния метода ионно-лучевой обработки, сведя их в таблицу 9.1. |
Таблица 9.1
Влияние ионно-лучевой обработки на характеристики
Лсп^уквоЛ
*у"'нв,н’“ Nf <2-S>. 10" 1.3 ...
Мартенсвтио- ферритная Не* 2.О-З.О
Железо N* З.О-5.О
ClILIb 1.6
Титан (Ml4, Не*) 3.0
износ Амтикорро- N*,N/ узиныне-
Быстрорежу- N* ...
уаслгаеахс уэм-иьшсюы:
Срок« Сталь - 1%С, 1.6%Сг N* » 10” 2
хромированная N* ЯО" 1,5-2,0 ...
Быстрорежу- щие стали N* 4 10” 2,0-12.0
ВК-с^'ьн N* (3-5). 1017 2,0-20,0
вк’Хм (АГ, О,’, ТГ) z ю” 3.0-8.0
Износостой- материалов (N'.e.Tf) «-»)• ю" 10г
(N*,Mo*) 10
Титан (АО*) 1,5-2,0
Коэффици- Сталь (Mo*,S*) «-я- ю” 1.3
Титан N* 4,7
Алюминий N* --- 36.0
Частота столкновения молекул азота Nn, может быть опреде-
, лена из выражения Nn2=2.6310!o (МН2Т)'1' , где Мг - молеку-
, лярная масса азота, 1 - температура газа (обычно 300*С), Рг -
парциальное давление азота, Па. Одинаковое количество столк-
> новений будет происходить при Рн2=0,08 Па.
Различают три этапа режима напыления. Первый этап -
обработка в тлеющем разряде для очистки поверхности н
подогрева изделий до 250-280*0:
P.-i lO-’-l lO*1 Па, ир=2,0-2ДкВ
Зр=0,05-0ЛА, т - 20 мин.
Второй этап - ионная бомбардировка поверхности с целью
окончательной очистки и активации поверхности:
Рк«(2-3>1<Г' Па, 3,-75-80 А, т-1-5 мни,
Третий этап - напыление слоя:
ЛИКИНО*1 Па, 3,-70-120 А, Т,-400-450*С.Ч-б-10 мин._
2.10. Методы нанесения покрытий химическим
осаждением из газовой фазы
в разреженной атмосфере
С учетом специфики протекания процессов формирования
покрытий существующие методы можно разделить на несколько
В первую группу входят методы формирования покрытий по
комплексному механизму. В этом случае покрытие образуется за
счет реакций между парогазовыми смесями, которые состоят из
соединения металлоносителя и носителя второго компонента,
служащего как газом-транспортером, так и восстановителем. К
указанной группе следует отнести методы химического осаждения
покрытий из парогазовой фазы (методы ХОП), получившие в
мировой практике название CVD (Chemical Varop Deposition).
Методы ХОП (схема установки приведена на рис 2.10)
широко используются для нанесения покрытий на основе карби-
дов, нитридов, карбонитридов титана на многогранные непере-
Тачиваемыс пластины. На основе этих методов в России
(ВНИИТС) разработан метод нанесения карбццотитановых по-
крытий на неперетачиваемые твердосплавные пластины. Разно-
видностью методов ХОП является метод вакуумного титаниро-
| | Вода
При химическом осаждении используется специальная уста-
новка, схема которой показана на рис. 2.9: в печи в присутствии
водорода при температуре около 1000°С вступают в реакцию
такие исходные газы, как четыреххлористый титан (TiCI^ и
треххлористый алюь
газ (СО2). На оснс
ИДазот и углекислый
гея карбиды титана,
нитриды титана и окись алюминия. По всей площади поверхности
основного материала образуется равномерная пленка покрытия.
)тот метод наиболее пригоден в условиях массового производ-
инструмент в оснс
табл. 10.1.
При методе CDV температура нагрева подложки достаточно
высокая (до 1000’С), поэтому он применяется только для
нанесения покрытий на режущий инструмент из твердого сплава.
Скорость осаждения составляет несколько микрон в час.
Сцепление покрытия хорошее и зависит от взаимной раствори-
мости обоих материалов и чистоты покрываемой поверхности.
Толщина покрытия 3-10 мкм.
По данным ВНИИТС применение твердосплавных пластин с
покрытием из TiC, нанесенным методом CVD, увеличивает
скорость резания на 20-30% даже при сохранении стойкости
резцов с покрытием на уровне обычных.
Широкое применение за рубежом получили также твердосп-
лавные пластины с нитр.
»ем (толщина слоя TiN -
5-10мкм). Такое покрытие при некоторых условиях резания более
эффективное, чем покрытие из карбида титана, отличается
мелкозернистостью и несколько меньшей твердостью, чем покры-
тие из карбида титана, однако при его использовании снижаются
температура и усиление резания, уменьшаются вибрации, обес-
печивается получение более чистой поверхности. Инструмент с
покрытием из нитрида титана может работать на больших
титана, без уменьшения его стойкости.
В настоящее время твердосплавные пластины с нитридными
покрытиями применяют в ФРГ, США, Японии, Великобритании
и Швеции при обработке углеродистых и легированных конст-
рукционных сталей, серого чугуна, а также нержавеющих
аустенитных сталей.
Следует отметить, что вследствие большой диффузионной
инертности нитрида титана по отношению к материалу основы
прочность сцепления покрытия с основой во многих случаях
оказывается недостаточной.
Покрытия из нитрида титана получают в смеси водорода,
азота и паров Т1С14при lOOO’Cc выдержкой около 2 ч.
В связи с недостатком технологии осаждения покрь
карбида и нитрида титана (взрывоопасностью применяемой
газовой смеси, содержащей водород, необходимый для восстанов-
ления TiCi4 до TiCl2) в нашей стране и за рубежом проведены
работы, подтвердившие возможность осуществления осаждения
карбида титана без подачи в муфель водорода.
Предложено последовательно пропускать пары HCI вместе с
инертным газом над нагретым TiC. а продукты реакции - над
покрываемым металлом. В результате реакций между хлором,
водородом и TiC происходит перенос атомарного углерода и
титана и на покрываемой поверхности образуется покрытие из
карбида титана.
покрытий из ка^ида титана с использованием инертного газа -
носителя и восстановителя в виде титановой губки.
При разработанном в СНГ способе получения покрытия из
карбида титана на поверхности высокоуглеродистой стали, в
основном, проводили лишь титанирование с использованием
тетрахлорида титана, губчатого или порошкообразного титана.
Карбидный слой до 10 мкм и микротвердостью 3000 МПа удается
получить всего за 1«2 ч при 1000’С.
Установлено, что для восстановления высших хлоридов титана
до низших вместо водорода можно применять пары цинка,
магния, кадмия, натрия и калия.
Применение в промышленных установках вышеуказанных
восстановителей или новых газовых сред, не содержащих водород,
создало возможности для более широкого нанесения покрытий
из карбида и нитрида титана, а также других покрытий (WC,
VC, ТаС, SiC) на режущий инструмент.
Комбинированное покрытие из карбидного титана с перемен-
ным содержанием TiN по сечению обладает более высокой
(примерно в 2 раза) стойкостью по сравнению с покрытием из
карбида титана и лучшими теплопроводностью и сцепляемостью
благодаря прилеганию иепосредствешю к основе слоя, богатого
карбидом титана, обладающего высокой способностью диффузи-
онного сцепления. Охрупченной зоны в пограничном слое
покрытия и основы не наблюдается, так как толщина TiC очень
мала (1-2 с мм). Затем следует слой карбонитридов. Наружный
слой, содержащий 90% TiN, обладает высоким сопротивлением
износу и пассивностью по отношению к обрабатываемому
материалу. Общая толщина покрытия не превышает 10 мкм.
Известно применение для режущего инструмента твердосп-
лавных пластин с комбинированным покрытием из TiC+AljOj,
получаемым осаждением из газовой фазы. По сравнению с
однослойным (TiC) это покрытие обладает более высокими
механическими свойствами, теплостойкостью и химической стой-
костью. Режущий инструмент с таким покрытием рекомендуется
для работы в условиях прерывистого резания.
2.11. Примеры применения методов нанесения
покрытий
Напыление оксидных покрытий
Наиболее целесообразно использовать реакционные методы
напыления.
Для примера рассмотрим напыление покрытия из оксида
алюминия дуговым распылением катода из алюминия. Первона-
чальное фоновое давление в камере до напуска кислорода
(оставляет не более 133-Ю"5 Па. Давление рабочего газа
выбирают в пределах 53210_*-1064-10"4 Па.
Увеличение скорости конденсации и покрытия михротвердости
происходит с ростом давления кислорода до 510"4 Па.
По аналогии с рассмотренным примером напыления оксида
алюминия реакционным методом вакуумного дугового распыления
возможно напыление других оксидов. При этом могут быть
использованы как способы термического испарения, так и ионного
Напыление нитридных покрытий
В настоящее время для создания тонких нитридных покрытий
(8п=1-180 мкм) наибольшее распространение получили методы
вакуумного конденсированного напыления. Причем во всех
случаях процесс напыления необходимо вести в присутствии
азота вакуумными реакционными способами.
Средняя длина свободного пробега молекул газа составляет
около 50 см. С увеличением давления азота в камере вероятность
синтеза нитридов в газовой фазе возрастает.
Для напыления нитрида тигана можно рассчитать парциаль-
ное давление азота в камере Рх2, при котором частота столкно-
вения атомов металла и молекул азота на поверхности будет
Число атомов титана Мм(ат/см2с), достигающих поверхности
конденсации в единицу времени, выразим через скорость осаж-
дения (без учета рассеяния газообразными молекулами): где Na -
число Авагадро, р - плотность титана 4,5 г/см2, Vk - скорость
осаждения (испарения) равна 61 О'4 см/с, М-молекулярная масса
титана, равна 48. Расчетная величина Nk=NT1 составит 3,4-1017
Для улучшения адгезии покрытия с основным материалом
рекомендуется наносить промежуточный слой никеля толщиной
Твердость покрытия из WC в зависимости от условий
осаждения и толщины слоя изменяется от НУ=1800Па до 27<И>
Па. Толщина покрытия может составлять 2-30 мкм в зависимости
от требуемой износостойкости.
В СНГ проводятся работы по осаждению из газовой фазы
карбида ниобия (NbC) на твердосплавный инструмент.
Стойкость пластин из сплава ВК8 с покрытием из NbC при
обработке серого чутуна (НВ 180) при скорости резания 100-15(1
с/мин в три раза выше, чем стойкость пластин без карбидного
ВК8 с покрытием из NIC при точении титановых сплавов марок
ВТ8 и ВТ9 в 2,6 раза выше, чем стойкость пластин без покрытия
при скорости резания 60-80 м/мин.
Нашел применение также процесс осаждения карбида ниобия
из газовой фазы с использованием смеси, состоящей из четырех-
хлористого углерода и порошка ниобия. Процесс проводят в
замкнутом пространстве при пониженном давлении. Установлен
рациональный режим осаждения, позволяющий получать качест-
венное покрытие на сплаве ВК8; температура 1 000-1050'С. время
2-3 ч. Стойкость твердосплавных пластин с покрытием NbC
повышается в 3-5 раз. Стоимость применяемых смесей невысокая.
Испытание режущего инструмента с покрытием из NbC
показало его перспективность.
ной промышленности метода CVD, эффективность которого
достаточно убедительно показана, но следует учитывать, что этот
метод, являясь высокотемпературным, неприемлем для инстру-
мента из быстрорежущей стали, выпуск которой достигает 70%
от общего выпуска режущего инструмента. Кроме того, варьи-
рование параметров процесса осаждения возможно только в
определенных пределах, ограничен и выбор твердых материалов,
которые могут быть этим методом нанесены.
Целый ряд интересных разработок разновидностей инстру-
мента с покрытием осуществили в Японии.
1) Разработан способ получения режущего инструмента с
высоким сопротивлением истиранию. Заготовку из нитридного
сплава или оксидной керамики, имеющую хорошие теплостой-
кость и ударную вязкость, покрывают тонким 2х-слойным
покрытием, содержащим Т1Сили TiN(внутренний слой) и твердый
раствор AljOyCr-jOj
Коэффициент термического
расширения внешнего и внутреннего
Щялавая определенное соотношение Al2Oj/Cr2O3, с двухслойным
Ивнссеннем покрытия и комбинируют.
2) Разработана конструкция твердосплавной режущей пла-
вунцы, отличающейся высокой прочностью и сопротивляемостью
абразивному изнашиванию при высоких скоростях резания.
(Хповы пластины составляет спеченный композиционный мате-
вязкостью и хорошей теплопроводностью. Первый слой покрытия
1ПЛЩИН0Й 1-2 мкм состоит из окиси алюминия, обладающей
высокой твердостью, теплостойкостью и сопротивляемостью аб-
|>взивному истиранию при нормальной и повышенных темпера-
турах. Третий слой толщиной 1-2 мкм состоит из нитрида титана
и отличается повышенной вязкостью. Суммарная толщина по-
крытий должна быть в пределах 1,5-10 мкм, предпочтительно
о|юшие эксплуатационные характеристики твердосплавного ре-
вущего инструмента в процессе высокоскоростной резки. Первый
слой, состоящий по крайней мере из одного соединения из группы
TIN.TiC,TiCN.SiC.Si3N4. наносят методом плазменного напыления
нл поверхность спеченного твердого сплава, затем методом
кимического осаждения из газовой фазы наносят второй слой из
шжторяя этот процесс, получают многослойное покрытие. Слой
А1,<)3. прилегающий к 1-му слою, отличается повышенной
адгезионной способностью и обеспечивает высокую скорость роста
планки А12О3. нанесение покрытия - многослойное.
4) Применяется 3-х слойное покрытие твердосплавного инс-
трумента, первый слой покрытия на основе соединений гафния,
норой - твердый раствор соединений титана и гафния, третий
- соединения титана, соединения гафния (карбонитрид гафния,
соединения TinSi.TiN.TiCN(Kap6oHHTpHfl титана), твердый раствор
TIN-TiCN. Сочетание соединений НГ и Ti обеспечивает износостой-
кость и абразивиостойкость. Промежуточный слой твердых
растворов обеспечивает адгезию между соединениями HfnTi.
Соединение не обладает коэффициентом термического расшире-
ния, близким к основному металлу, а наружный слой соединений
титана играет роль барьера между основной и обрабатываемой
деталями.
5) На твердосплавный инструмент для увеличения износо-
стойкости наносят однослойные и многослойные износостойкие
покрытия из TiC, TiN. TiCN, AljO,. Толщина каждого слоя
> оставляет несколько мкм. Используются методы химического и
физического осаждения из газовой фазы. При химическом методе
материал покрытия образуется при 900-1000 град, в результате
реакций, протекающих в газовой фазе, например смеси TiCI4 и
СН4 и на поверхности инструмента, износостойкость покрытия
возрастает с увеличением его толщины, для TiC оптимальная
толщина 5-8 мкм. При физическом методе осаждения из плазмы
требуется меньшая температура поверхности инструмента, поэ-
инструмента, ведутся работы по получению физическим или
химическим методами покрытий из алмаза и КНБ.
6) Применяемый твердосплавный режущий инструмент с
(Al-
CNO) включает твердую дисперсную фазу, которая состоит из
одного или более компонентов, выбранных из ряда карбидов,
нитридов и карбонитридов металла 4, 5, 6 групп периодической
таблицы, а также связующую фазу, которая состоит из одного
или более металлов, выбранных из групп железа или хрома, и
включает алюминий, наносили с помощью установки для хими-
ческого плазменного напыления при давлении 0,1-1012,3 Па,
температуре 800-1200'Св атмосфере, состоящей из смеси газов
Cl, СО2. N2. Н2, Аг. Время напыления составляло 2-3,5 ч.,
HV=2300*2710 кгс/мм2.
7) С целью повышения срока службы и скорости резания
твердыми сплавами на основе WC и TiC предложено наносить на
рабочую поверхность инструмента материал на основе карбонит-
рида Si и AI. слой толщиной 0,5-20 мкм наносят осаждением из
газовой фазы или другим методом. Улучшается износостойкость,
8) Разработан элемент спеченного твердого сплава для
бонитрида алюминия. Включает он твердую дисперсную фазу,
которая состоит из одного иди более компонентов, выбранных
из ряда карбвдов, нитридов и карбонитридов металла 4А6 5А, 6
групп периодической таблицы, а также связующую фазу, которая
состоит из одного или более металлов, выбранных из групп
железа или хрома, и включает алюминий. Напыления при
давлении 0,1-1012,3 Па, температуре 800-1200"С в атмосфере,
состоящей из смеси газов С1,СО2, N2, Hj, Аг. Время напыления
составляло 2-3,5 ч, HV=230G>2700 кгс/мм2.
9) Разработан элемент из спеченного твердого сплава ре-
жущего инструмента с одно- или двухслойным поверхностным
покрытием из карбидов, нитридов, карбонитрндов и оксикарбо-
нитридов титана, циркония, гафния, а также из оксида и
оксикарбонитрида алюминия. Содержит дисперсную фазу, кото-
рая состоит из одного или более компонентов, выбранных из
ряда карбидов, нитридов и оксикарбоиитридов Ti, смешанных
карбидов, нитридов, карбонитридов и оксикарбонитридов TinW в
количестве 10-40% и оксидов Mg,Al,V.Zre количестве 0,01-5%.
Также включает связующую фазу, которая состоит из W и
примесей. Исходный элемент имеет превосходную режущую
10) Также разработан элемент спеченного твердого сплава
для режущего и износостойкого инструмента с алмазным покры- .
тием, синтезированным в паровой фазе. Включает твердую
дисперсную фазу, которая состоит из одного или более компо-
нентов, выбранных из ряда карбидов, нитридов, карбонитридов
металлов 4А, 5А, б групп периодической системы и Si, а также
связующую фазу, которая состоит из металлов группы железа и .
из одного или более металла 5А и 6А групп периодической
системы. На поверхность спеченного твердого сплава наносят
алмазное покрытие, осаждая его путем подачи газовой смеси 4
водорода с метаном посредством нити из W, Мо. Та и нагретой
до 2000*С. Элемент имеет поверхностную твердость, равную
твердости природного алмаза.
11) Разработана твердосплавная режущая пластина, отли-^
чающаяся высокой прочностью, сопротивляемостью абразивному
изнашиванию при высоких скоростях резания. Основу пластины
<ал из твердого сплава и окиси
алюминия, обладающий высокой вязкостью и хорошей теплопро-
водностью. Первый слой покрытия толщиной 1-2 мкм состоит из
ляемостью с основой, второй слой толщиной 1-2 мкм состоит из
окиси алюминия, обладающей высокой твердостью, теплостойко-
стью и сопротивляемостью абразивному истиранию при нормаль-
турах. Третий слой толщиной 1-2
мкм состоит из нитрида титана и отличается повышенной
вязкостью. Суммарная толщина покрытия должна быть в преде-
лах 1,5-10 мкм, предпочтительно 3*6 мкм.
12) Разработана схема устройства для ионного нанесения
тонких покрытий. Испарение напыляемого вещества осуществля-
ется при обработке его лучом электронной пушки. Ионизация
атомов этого вещества и газовой атмосферы в дуговом разряде
при помощи ионизирующего электрода, находящегося под напря-
жением 100 В. Процесс проводят при давлении Ю^-Ю’1 Па.
• для получения зеркал,
ежущих инструментов,
обработки поверхности прей
матриц, получения покрытия со специальными свойствами. При
точении стали при одинаковой продолжительности резания
применение резцов с покрытием толщиной 4 мкм позволило
значительно повысить скорость резания. При нанесении покрытия
из TIN получаются пленки высокой твердости, окрашенные в
покрытня с
ятия, прони-
цасмые для электромагнитных волн определенной длины и т.д.
13) Предложено 41 слойное покрытие общей толщиной 2,5-15
мкм, химически осаждаемое из газовой фазы на режущие
твердосплавные инструменты. Первый слой покрытия 1-5 мкм.
осаждаемый непосредственно на подложку, состоит из карбида
титана, нитрида титана или карбонитрвда титана. Второй слой
0,5-5 мкм - из нитрида алюминия или нитрида окиси алюминия.
Третий слой 0,5-5 мкм - из окиси алюминия, четвертый 0,5-5
мкм - из нитрида титана. Предлагаемое покрытие обладает
высокой прочностью адгезии с подложкой, теплопроводностью,
жаростойкостью, износостойкостью и другими характеристиками,
обеспечивающими высокие режущие свойства твердосплавного
инструмента.
14) Предложен способ получения покрытия из куб. BN при
пониженных температуре и давлении. Согласно изобретению из
материала основы (например, быстрорежущая Ст) методами
реактивного ВЧ-распыления или ионного плакирования наносится
пленка аморф. или сверхмелкодисперсного BN. Затем пленка BN
подвергается термообработке в газостате при определенных
температуре и давлении. При этом в результате реакций в тв.
15) Пленки (П) W-Столщиной 150-300 мм наносят на фольгу
ия 2,5-5 нм мии1
из Тапри температуре <50’С и i
ВЧ-распылителсм W (99,9% чистоты) в атмосфере (А) из смеси
Аги СН4при общем давлении 5 Па.
Углерод в П присутствует в виде карбида W и свободного
графита, при содержании СН4в А до 2 мол. % наблюдали только
карбиды, с повышением содержания СН4 появляется свободный
16) Установлено влияние ионной имплантации (ИИ) N" на
рекристаллизацию тонких пленок (П) из AlNx(x<l). Покрытия
толщиной 750 А получали методом реактивного испарения на
стекле и монокристалле Si(Ill) ИИ с дозой в интервале
510|6-51016 17 см'2 при энергии ионов 80 кэВ, в вакууме I.S IO"1
Па при температуре, близкой к комнатной. Установили, что ИИ
приводит к усилению текстуры типа (002). При этом улучшаются
оптич. свойства, что вызвано рекристаллизацией материала.
17) Применяется метод модификации поверхностей путем
нанесения покрытий химическим осаждением из пара, в частно-
сти, осаждением, активированным лазерным излучателем, плаз-
Модификацию поверхности проводят с целью повышения
коррозионной термо- и износостойкости.
Интересные разработки осуществлены в Англии.
1) Находят промышленное использование твердосплавные
|южущие пластины с износостойким покрытием фирмы Sandvic
Coronal! в условиях фрезерования и точения. Покрытия предназ-
начены для фрезерования чугуна, при их использовании на
линия обрабатывает 350 блоков в смену. Ранее в смену
обрабатывалось 150 блоков. Фрезы, оснащенные ими имеют 3-х •
слойвое покрытие. Первый слой (TiC) обеспечивает хорошее'
сцепление с основой, второй слой (А12О3) обеспечивает высокую
сопротивляемость абразивному износу, третий слой СПЬОснижает
коэффициент трения и препятствует наростообразованию. Такое
сочетание свойств позволяет использовать для обработки широкой
номенклатуры сталей и чугунов, с различными значениями
2) Предлагаются состав и способ изготовления режущей
пластины с износостойким покрытием, обладающей более высо-
кими эксплуатационными свойствами по сравнению с обычными
твердосплавными пластинами с покрытием. Основы пластины
составляет смесь, состоящая из нитрата кремния 40-60 и
карбидов, нитридов и карбонитридов тугоплавких металлов,
предпочтительно титана или гафния в количестве до 30%, а
также уплотняющей фазы в виде окислов циркония, тантала н
др. редкоземельных металлов в количестве 50%. На рабочие
поверхности пластины наносится известными способами износо-
стойкое покрытие из окиси алюминия. Отмечается, что предла-
гаемая пластина отличается более высокой прочностью при
повышенных температурах, чем обычные твердосплавные пла-
стины с покрытием, и допускает скорости резания до 500 м/мин
3) Разработана разновидность процесса ионно-плазменного
нитрида
на установке с дополнительным
инодом н испарением титана электронным лучом. Обрабатывае-
ма! деталь - катод, при этом находящаяся в атмосфере азота
под давлением 10э-10412,3 Па, подвергается действию тлеющего
разряда. На основе подобного исследования параметров процесса
нанесения износостойких, тугоплавких и антикоррозийных по-
крытий, микротвердость поверхности может достигать HV 2000
кг/см’, скорость нанесения покрытия 30 мкм/час при неподвиж-
ной детали и 3-9 мкм/ч - при вращении детали. Исследования
микроструктуры с помощью электронного микроскопа и зоны
“покрытие-основа" с помощью спектрографа показали наличие
промежуточного слоя глубиной 0,2 мкм. Это способствует
хорошей сцепляемости покрытий с основой. При применении
металлорежущего инструмента с покрытием TiN уменьшается
сила резания.
4) Покрытия из карбида титана и нитрата титана толщиной
5-10 мкм позволили увеличить скорость резания на 30-50% при
сохранении стойкости инструмента. В дальнейшем начали при-
менять покрытия из окиси алюминия с подслоем титана.
Стойкость твердосплавного инструмента с покрытием зависит от
геометрии резца, режимов резания и обрабатываемого материала.
обладае
Инструмент из окиси ал:
уступает инструментам с покрытием ив нитридов титана, карбида
титана и при резании более мягких сталей с умеренными
скоростями. Совместное влияние обрабатываемого материала,
параметров резания (подачи, скорости) и геометрии режущего
инструмента на характеристики режущих свойств может быть
количественно выражено “углом среза” между плоскостью, по
которой определяется стружка от металла при резании, и
поверхностью срезаемого металла. Покрытия из окиси алюминия
обеспечивают лучшие характеристики резания при больших углах
когда основным видом разрушения резца является образование
кратера, при малых углах среза, например, при резании мягкой
из нитри-
дов и карбидов.
Новые марки твердосплавных пластин в США применяют с
покрытием из 10 слоев: слоя TiC. наносимого непосредственно на
твердосплавную основу, слоя Ti(C, N). четырех промежуточных
светлых слоев и четырех керамических слоев на основе АЦО,.
Эти пластины имеют стойкость 18 и 19 мин соответственно при
точении с подачей 0,41 мм/об и глубиной резания 2 мм
конструкционной стали (прочность 1000-10’ Па) со скоростью
резания 180 м/мин и легированного перлитного чугуна твердость
170-10’ Па со скоростью резания 200 м/мин. Стойкость твердос-
плавных пластин составляет при точении той же стали 0,5 мин,
а с TiC-AljO/TiN - 12 мин (сталь) и 12,5 мин (чугун), при
фрсзировании конструкционной стали 3-х слойное покрытие (1,5
мкм TiC+1,5 мкм Ti(C, N>+2 мкм TiN) обеспечивает увеличение
стойкости до 50% (при средней и высокой стойкости резания),
но сравнению с однослойным покрытием, многослойные повыша-
ют ударную прочность, сопротивляемость переменным темпера-
турам и стойкость к образованию лунки износа без снижения
сопротивляемости износу по заданной поверхности. Твердосплав-
ное покрытие, наносимое методом СВД, увеличивает стойкость
инструмента от 2 до 10 раз. Это покрытие применяют для
токарных резцов различных типов и для зуборезного инструмен-
та. Покрытие, наносимое методом ПВД, применяют для спираль-
ндроторцевых фрез,
долбяков и протяжек.
Для повышения производительности на конкретной операции
требуется нс вообще покрытие, а конкретная марка основы с
конкретным покрытием.
Фирма “Велнайт” (США) выпускает девять марок твердос-
плавных вставок с покрытием из TiN, TiC и керамическим
покрытием, рассчитанных на разную обработку - от черновой до
отделочной - широкого ассортимента материалов. Вставки марки
V-88C покрытием из карбида, титана имеют усовершенствованную
основу, а само покрытие обеспечивает особенно высокую изно-
состойкость. Вставки марки VN-8c покрытием из нитрида титана
изготовляются с использованием вязкой основы, разработанной
специально с расчетом на покрытие, и используются в тех
случаях, когда требуется высокая ударопрочность, покрытие из
нитрида препятствует образованию лунок и навариванию метал-
лов, благодаря чему улучшается качество обрабатываемой повер-
хности. Цельнокерамические оксидиокарбидиые вставки (керме-
ты) явились самым последним дополнением к быстро растущей
номенклатуре керамических материалов для режущего инстру-
мента. Они значительно более “вязкие”, чем чистая алюмоксид-
ная керамика. Керметы ярко продемонстрировали свою устойчи-
вость к механическим ударам.
Ведущие зарубежные фирмы, в частности фирмы Teledenl и
Cenameta (США), Sandvic Coromant (Швейцария) используют дан-
ный метод для нанесения износостойких покрытий (TiC,TiN.Ti(C.
N) на многогранные твердосплавные пластины, объем которых
составляет 50% общего выпуска. По данным фирм стойкость
В США покрытие (П) TiB2 получают на пластинах из
фосфористой бронзы, состава Cu-4Sn(0,02-0,04)Pu из смеси газов
TiCl4.BClJ.H2 и Аг при 580-850’0 Скорость осаждения достигает
максимума при соотношении газовых потоков ВС1/ПС14. равном
2-3 и составляет 1,1 мкм/ч и 3,4 мкм/ч при 700’С и 850°С
соответственно. Однородное П толщиной до 2 мкм с хорошей
адгезией получают при 600-700‘С.
П на пластинах из фосфористой бронзы имеет высокую
стойкость к окислению при температурах <600*С и слабо
взаимодействует с раствором НС) при комнатной температуре и
с концентрацией НС1 при 60"С.
В США применяется метод формирования алмазных пленок
(АП) из смеси СН4и Н2на различных подложках. АП осаждаются
при 700-1000’С при давлении (39-65)-102 Па в плазменной дуге
мощностью 200-500 Вт. Концентрация СН4оказывает существен-
ное влияние па структуру и морфологию покрытий, при 0,3%
СН4 АП формируются в виде трехгранной пирамиды. При
концентрации 0,6% - в виде равномерных мелкозернистых
кристаллов, при концентрации >1,2% формируются АП повы-
шенной плотности с весьма мелкозернистой структурой.
Установлено влияние температуры осаждения в диапазоне
250-600’Сна рост пленки (П) TiN. полученной плазмохимическим
осаждением из смеси TiCl4, N2h Н2.
При увеличении температуры от 250°Сдо 530"С плотность П
возрастает с 2,5 г/см3 до 4,5 г/см3, при этом уменьшалось
содержание С1с 30 ат.% до 3 ат.%, содержание Н уменьшалось
с 4 до 0,5 ат.%, микротвердость (по Кнупу) под нагрузкой 0,25
Н возрастала с 400 до 2000 кгс/мм2.
Применяются (в Голландии) износостойкие покрытия (П)
Ti-AI-V-N-C на режущем инструменте, полученные методом
реактивного магнетронного распыления. В качестве реактивных
газов используют в соотношении Pai/PN2=0%, 33%. 100%.
Основное применение плазмохимметода в этой стране -
получение износостойких П на стальном инструменте при
достаточно низких температурах, позволяющих избежать разуп-
рочнения Ст, неизбежного при высокотемпературном химическом
осаждении из пара. Другое применение этого метода - осаждение
Si3N4.используемого в электронной промышленности при получе-
нии полупроводников.
В Германии также отмечается все более широкое применение
режущих инструментов из быстрорежущей стали с износостойким
покрытием, из нитрида титана, обеспечивающих многократное
Стойкость существенно повышается при ш/
стей и под покрытием мелкозернистыми кругами из зеленого
кпрбцда кремния (зернистостью 120 меш) с открытой структурой.
тнлщина слоя покрытия, т.к. с увеличением ее возрастает радиус
усиленный износ в результате охрупчивания слоя покрытия. При
толщине слоя покрытия 1-3 мкм сопротивление абразивному
Износу и стойкость инструмента с покрытием возрастают почти
пропорционально возрастанию толщины слоя. По спиральным
сверлам повышение стойкости колеблется от 250% при сверлении
серого чугуна, автоматных, цементируемых и обычных закали-
нлемых конструкционных сталей, до 600% при сверлении чугуна
с шаровидным графитом и до 800% при сверлении нержавеющих
кислостойких и жаропрочных сталей. В 3-8 раз повышается
стойкость концевых фрез в зависимости от обрабатываемого
материала, в 3-4 раза - стойкость червячных фрез, в 7 раз -
стойкость метчиков. При работе по серому чугуну, в 7 раз -
стойкость отрезных резцов при разрезке малоуглеродистой кон-
струкционной стали и в 2-3 раза - стойкость фасонных резцов
при точении среднеуглеродистых конструкционных сталей.
Фирма Gebnider Sulzer (Германия) применяет метод CVD для
нанесения износостойкого покрытия из карбида вольфрама. С
этой целью применяют цилиндрический обогревательный реактор
>, в который
юрод, соеди-
(деталь в нем находится
подается газообразная см<
пения вольфрама и углеродистое соединение. Изменяя состав
смеси, можно влиять на свойства получаемого покрытия. Темпе-
ратура осаждения 300-700*С. время процесса 60-120 мин в
зависимости от температуры и требуемой толщины осаждаемого
Максимальная величина обрабатываемых деталей (инструмен-
та) ограничивается размерами реактора. Диаметр существующих
реакторов 125, длина 125-175 мм.
В Германии разработаны твердосплавные пластины с 3-слой-
пым покрытием для токарной обработки и многогранные пласти-
ны из чистой и смешанной металлокерамики и минералокерамих
(торцево-цилиндрические, хвостовые и насадные, отрезные), а
инструментов с помощью датчика силы резания и устройства для
компенсации износа инструментов, а также систему Block-Tool (с
многогранными пластинами из твердого сплава), предназначен-
ную для автоматической смены инструмента.
В Германии разработан способ получения износостойкого
покрытия на режущем инструменте пли деталях, по которому на
подложке известным методом - химическим осаждением из
газовой фазы - осаждают слой покрытия из нитридов или
карбидов Nb, Та. Zr. НГ. непрепятствующих диффузии. А затем
этот слой подвергают науглероживанию в углеродосодержащем
газе при температуре 867’С или осуществляют диффузию стали.
диффузию слоя, содержащегося в подложке. Полученный по
этому способу слой покрытия препятствует диффузии через него
к подложке коррозионпо-активных веществ, которые при нагреве
инструмента во время работы могут вызвать образование проме-
жуточного слоя, снижающего прочность адгезия покрытия к
При определении износостойкости твердосплавных пластин с
' покрытием из TiCB, наносимым на установке YCVD-48. разрабо-
танной фирмой VEB Electrjvat (Германия), установлено, что
наибольшей стойкостью обладает слой TiC толщиной 408 мкм.
Слой толщиной менее 2 мкм быстро изнашивается. При увели-
Оптимальным считается режим осаждения, обеспечивающий
образование слоя толщиной 6 мкм. Для повышения прочности
сцепления покрытия с основой рекомендуется проводить предва-
рительную очистку пластин в органических растворителях в
ультразвуковой ванне.
Нанесение на режущий твердосплавный инструмент покрытия
из ТЮ (6 мкм) + АЦОЭ (1 мкм) методом CVD освоено на
инструментальном комбинате ЕпиНескеП(Германия). Отмечаются
высокие теплопроводность, стойкость против лункообразования н
высокая сопротивляемость пластической диффузии этих покры-
кремния, тантала; боридов вольфрама.
Фирма MetalwerkPlansee (Австрия) уже более 15 лет разраба-
тывает оборудование и технологию нанесения покрытий методом
CVD.
Создана технология нанесения слоев из нитридов и карбидов
титана, многослойных покрытий на основе окиси алюминия.
Производственная программа фирмы включает выпуск установок
на базе колпаковых печей с приспособлением для нанесения слоев
из окиси алюминия. Характеристика установок приведена в табл.
12.1.
Таблица 12.1
TNS устшюяш
IH-I IH.J «м
плане (полезного). мм 360x390
имперапф. нагрева. X 750-1050 в
<'корость нанесения покрытия, мкм/ч ДОЗ
Потребляемая мощность. кВт 50/60 55/65 120/140
Занимаемая площадь, м 6x6 или 10x5 8x8 или 12*5 14x6 или 16x5
Количество, шт.
печей 1 I 2
нагревательных зон печи 6 6 6
1 2 4
За рубежом физические методы осаждения покрытий PVD в последние годы стали более широко применяться для упрочнения режущих инструментов, изготавливаемых из быстрорежущих сталей. Метод PVD позволяет увеличить срок службы инструмен- тов до 300% по сравнению со сроком службы инструментов без покрытия. В качестве покрытия широко применяется нитрид титана как нитрид гафния, карбид вольфрама, карбид титана, окись алюминия, а также осаждение многослойных покрытий. Изготавливают оборудование для методов PVD компания ULVAS (Япония)-, фирма Мутцубио (Япония), фирмы Fazenberg (ФРГ) и Samputtensill (Италия) также изготавливают это обору- нанесения покрытий методом PVD является фирма Baizers Yieh- tensten (Лихтенштейн). Она разработала процесс “S-Drill” для
В Англии разработана разновидность метода физического
осаждения из газовой фазы на режущий инструмент (покрытие
из TiN). Перед зап>узкой в рабочую камеру поверхность инстру-
мента очищается паром и ультразвуком, затем в камере создается
вакуум, 10 мВ и в нее вводится Аг, на инструмент подается
отрицательное напряжение 5 кв и между ним и стенкой камеры
возбуждается разряд, при воздействии которого положительно
заряженные ионы Аг бомбардируют поверхность инструмента,
очищая ее. Затем инструмент нагревается до 300-350‘Св течение
30-75 мин и после этого на него осаждается покрытие. Для этого
Ti-мишеии, размещенные внизу камеры, испаряются электронным
Ионы металлической фазы следуют в область инструмента,
находящегося под отрицательным потенциалом, адсорбируются
на поверхности инструмента и вступают в реакцию с газом-ре-
агентом с образованием нитрида титана.
2 мкм, стойкость инструмента с покрытием в 3-4 раза выше.
В Японии уже более 50% зубчатых колес для автомобилей
покрытием, нанесенным методом PVD. К метолу PVD относится
метод реактивного
(RXP), при
температуры отпуска быстрорежущей стали, поэтому твердость
основного материала не снижается и термические деформаши
3. Улучшение эксплуатационных свойств
деталей машин и инструмента методом
наплавки
3.1. Принцип и характеристики процессов наплавки.
Сущность процесса и основные методы наплавки '
дифицитных легированных сталей для наплавки представляет
собою важную народнохозяйственную задачу. Одним из путей
решения этой задачи является изготовление деталей машин и
инструмента из сравнительно дешевых марок малоуглеродистых
и низколегированных сталей с рабочими поверхностями, наплав-
ленными высокопрочными и износостойкими легированными
сплавами. Наплавка заключается в нанесении с помощью сварки
слоя металла на поверхности изделия. Наплавка особенно
широко и эффективно применяется, например, в дорожном,
строительном, горном, сельскохозяйственном машиностроении
для упроч
в условиях интенсивного
абразивного изнашивания. Наплавка применяется не только при
изготовлении новых изделий, но и в ремонтном деле при
восстановлении изношенных деталей. В инструментальном про-
изводстве наплавке подвергаются штампы и режущий инстру-
Процесс наплавки на поверхность деталей легированных
сплавов осуществляется электрической дугой, пламенем газовой,
горелки и другими методами.
Наплавочные свойства электродов определяются следующими
технологическими факторами: ионизирующей способностью
электродов, коэффициентами расплавления и наплавки электро- •
дов, отдсляемостью шлака, коэффициентом потерь, геометриче-10
Производительность процесса'дуговой наплавки
одом характеризуется коэффициентом наплавки:
где а - коэффициент наплавки,
Gp - масса расплавленного электродного металла,
1 - время плавления электрода, час.
Коэффициент наплавки а„ определяет удельную производи->м
тельность процессов наплавки: RJ
а для остальных методов наплавки,
дуги и др. Глубина проплавления уменьшается при обратной
полярности дуги в случае наплавки на постоянном токе при
увеличении диаметра электрода. Повышение напряжения приво-
дит к увеличению ширины проплавленного слоя и незначительно
влияет на глубину.
ленного слоя и структурой после
износостойкость получаются при
твердость и
вольфрамом, молибденом, хромом и
процессе наплавки часть легирующих элементов теряется вслед-
ствие окисления, испарения и разбрызгивания. Интенсивность
окисления зависит от химического сродства окисляемого элемента
к кислороду.
Процессы плавления металла и формирования шва можно*
регулировать, например, скоростью движения электрода, подо-
гревом металла и введением железного порошка.
от условий кристаллизации, а также от его состава. Получить
мелкозернистое строение наплавленного металла можно за счет
введения модификаторов, например: алюминия, титана или
ванадия, а также вибрацией электродов в процессе наплавки. На (
Н2, которые растворяются в сварчной ванне в процессе
Процесс наплавки представляет собой миниатюрный метал-
лургический процесс, отличающийся высокой скоростью расплав-
ления и застывания наплавляемого металла и интенсивным
протеканием химических реакций в расплаве и прилегающих
зонах металла. В процессе наплавки происходит расплавление
некоторой части основного металла изделия и перемешивание с
наплавленным металлом. Это приводит к изменению химического
состава, физических и механических свойств наплавляемого
металла и к ухудшению его эксплуатационных качеств. Поэтому
следует стремиться к минимальному расплавлению основного
металла изделия, при
сплавления. При наплавке основной металл подвергается значи-
тельному тепловому воздействию, что вызывает существенные
термические напряжения и может вызвать структурные измене-
нрименением металлического или угольного электродов, газокис-
лородным пламенем, в среде инертных газов и т.д. Все более
широко применяются специальные способы наплавки - электро-
шлаковая, плазменная, токами высокой частоты и др.
'Электродуговая наплавка может осуществляться вручную и
неханизированно аппаратами для автоматической и полуавтома-
тической наплавки. Механизированная наплавка по способу
защиты дуги и сварочной ванны имеет несколько разновидно-
стей - наплавка порошковой проволокой под флюсом или
применением газовой и газо-флюсовой защиты; по количеству
электродов, по характеру их плавления (плавящиеся и непла-
вящисся элекроды); по типу электродов (электроды из порош-
ковой проволоки, ленточные электроды).
При наплавке постоянным током дуга горит более устойчиво,
и качество формирования валиков наплавляемой поверхности
получается значительно лучше.
Выбор способа наплавки зависит от условий работы наплав-
ляемой детали, ее конфигурации, объема наплавляемых деталей,
производительности процесса. Механизированные виды наплавки
применяются для плоских деталей и тел вращения, например,
таких, как катки гусениц тракторов.
Ручная наплавка
тся для наплавки деталей сложной
формы, например, лопастей гидротурбин, штампового инструмент
3.2. Основные методы наплавки
1. Ручная электроду говая наплавка
Применение ручной электродуговой наплавки целесообразно
при небольшом объеме наплавочных работ, а также при наплавке
труднодоступных мест и участков с различным геометрическим
положением. Применяется наплавка металлическим плавящимся
элек; родом, также используется наплавка неплавящимся элект-
родом в среде аргона.
Производительность наплавки
наплавки. Для ручной дуговой и газоэлектрической наплавки он
составляет 8,0-И г/А • ч, при автоматической наплавке под флюсом
на переменном токе 15 г/А • ч, при автоматизированной наплавке
в среде углекислого газа на постоянном токе 17,0 г/А • ч. Выбор
вов. Порошкообразные сплавы наплавляют только элект
дугой, стеллиты наплавляют газосварочным пламенем.
Для увеличения производительности рекомендуется применять
наплавку пучком электродов, металлическим электродом с при-
садочным прутком, трехфазной дугой, электродами больших
диаметров и с повышенным коэффициентом наплавки.
Наплавка пучком электродов
Этот способ обеспечивает увеличение производительности
процесса за счет повышения количества одновременно расплав-
ляемого электродного металла. Сущность способа заключается в
том, что в пучок соединяют 2-6 электродов и связывают их
проволокой. Дуга горит поочередно, перемещаясь с электрода на
электрод по мере их плавления; вследствие этого электроды
Наплавка пучком электродов выполняется переменным или
постоянным током. Преимуществами этого способа, по сравне-
нию с обычной дуговой наплавкой, являются увеличение произ-
Недостатки: необходимость специальной подготовки ai
родов, выполнение наплавки только в нижнем положении.
Многоэлектродная наплавка
С целью повышения производительности и уменьшения
глубины проплавления основного металла применяют многоэлек-
тродную наплавку.
Многоэлектродную наплавку выполняют несколькими элект-
родами, что повышает производительность процесса за счет
увеличения поступления металла в наплавляемый слой.
Варианты многоэлектродной наплавки;
1) одна головка: 0,
а) один источник питания,
б) несколько источников питания;
2) несколько мяогоэлектродных головок:
При наплавке широко применяют многозлектродные головки,
получающие питание от нескольких источников. Многоэлектрод-
ную наплавку обычно осуществляют под флюсом или в среде
Многоэлектродную наплавку можно определить как нанесение
слоя металла на поверхность изделия сваркой, осуществляемой
(Двумя и более электродами одновременно с общим подводом
! сварочного тока. Этот способ еще называют наплавкой расцеп-
ленным электродом.
Способ обеспечивает высокую производительность процесса
МИ качество наплавленного металла, снижение удельного тепло-
Ьложения и, как следствие, уменьшение проплавления и короб-
Кения деталей.
Ж Высокое качество металла при многоэлектродной наплавке
Ьостигается интенсивным перемешиванием металла и получе-
результате мощных конвективных потоков в сварочной ванне.
ПСонвективные потоки образуются благодаря импульсному плав-
Ькиию отдельных электродов и сложным магнитным и электри-
гчсским полям в зоне плавления электродов и ванне жидкого
металла и шлака. Под воздействием магнитных и электрических
собствует
полей ток,
неметаллических включений, а относительно длительное сущес-
твование жидкой ванны создает условия для их всплывания.
При использовании четырех электродов диаметром 3 мм
достигается производительность расплавления электродного ме-
талла до 90 кг/ч. Высокая производительность наплавки (80-200
кг/ч) при использовании 4-15 электродов и более диаметром 2,3
ст и процесса открывает подача в сварочную ванну порошкообраз-
ных присадочных материалов, которые уменьшают избыток
количества теплоты в ванне, позволяют вести процесс на
форсированных режимах и получать при этом высокое качество
металла, создавать необходимые композиции сплавов из исходных
компонентов прямо на поверхности изделия в ходе процесса
наплавки. Наплавка слоя за один проход автомата позволяет
проектировать работы с минимальным числом рабочих движений.
Другой важной особенностью многоэлектродной наплавки
является импульсное индивидуальное или групповое (по два-три и
более) плавление электродов. При правильном выборе напряже-
ния и скорости подачи электродной проволоки в многоэлектрод-
ной системе происходит самопроизвольное импульсное плавление
электродов без применения специальных устройств.
Еще одной особенностью многоэлектродной наплавки следует
назвать возможность изменения числа электродов, подаваемых
в зону горения дуги. Это позволяет получать наплавленные слои
переменного химического состава путем подачи проволок раз-
личного химического состава по определенной программе.
Используя несколько электродов, можно значительно умень-
шить долю основного металла в металле шва.
Многоэлектродный способ позволяет при использовании леги-
рованной или порошковой проволоки получать необходимый
химический состав наплавленного металла уже в первом слое.
СуЕ
лектродные аппараты позволяют пода-
ки не только все сразу, во и поочередно
сварочные, так и наплавочные проволоки в сочетании с подачей
легирующей крупки
Для наплавки не<
сварочные преобразователи постоянного тока ПС-500, ПГС-500,
ПС-1000, ПСМ-1000-4 и выпрямители ВС-1000, ВКСМ-1000,
ВКСМ-2000, ВДУ-1600 и др.
В тех случаях, когда требуются большие мощности, можно
использовать источники переменного тока - трансформаторы.
Это в первую очередь трансформаторы для элсктрошлаковой
сварки и переплава ТШС-1000, ТШС-3000, ТШ-ЮООО, а также
серийные многопостовые трансформаторы ТСД-500, ТСД-1000,
ТСД-2000.
Число и состав электродных проволок оказывают влияние на
глубину проплавления. Проволоки из высоколегированных сталей
при одинаковом с низкоуглеродистой сталью вылете и одних и
тех же параметрах режима больше нагреваются и дают меньшее
проплавление основного металла. Расположение электродов ока-
зывает существенное влияние на характер зоны оплавления.
Уменьшение расстояния между осями электродов увеличивает
проплавление и наоборот.
Вылет электрода определяет степень его предварительного
подогрева. Незначительный вылет приводит к слабому подогреву
электрода и способствует увеличению глубины проплавления.
Вылет электродов должен быть большим, чем насыпная высота
флюса. Увелич
к уменьшению глубины
н|юплавления и росту скорости плавления электродов. Если вылет
электрода чрезмерно велик, его плавление становится неустой-
чивым, в наплавленном металле возникают поры, сам электрод
контакта еще больше увеличивает вылет и может привести к
оплавлению электрода выше контактного устройства.
Скорость подачи электродов определяет силу тока. Чем выше
скорость подачи, тем больше сила тока, а следовательно, и
тепловложение. Глубина проплавления увеличивается. Повыше-
ние скорости подачи электродов следует сочетать с изменением
Число электродных проволок выбирают в зависимости от
ширины наплавляемого слоя и диаметра проволоки. При одной
их диаметра и наоборот.
Для наплавки ударных элементов (бил) углеразмольных
мельниц создана установка производительностью 60 бил в час.
Установка укомплектована трехфазным трансформаторомТС-250
мощностью 250 кВ.А.
Установка представляет собой вертикально-замкнутый пла-
стинчатый трансформатор, на котором расположены кондукторы
|для бил. Процесс наплавки на
ется одно-
I временно и непрерывно на трех потоках. Укладку бил в
| кондукторы осуществляет оператор вручную. Съем готовых бил
автоматизирован. Подобная установка, но однорядная, с исполь-
зованием маломощного серийного трансформатора ТСД-1000
создана для поштучной наплавки бил камнедробилок.
Опыт показывает, что многоэлектродная наплавка бил изно-
замены марганцовистой стали 110Г13Л для бил низкоуглероди-
только увеличивает износостойкость бил, но и упрощает их
изготовление, уменьшает их стоимость, делает бил ремонтопри-
годными, при этом наплавленную и износостойкую часть обре-
зают и к ней приваривают новую основу, на которую наплавляют
износостойкий сплав.
Разработана технология наплавки изношенных линейных
секций транспортеров горно-шахтного оборудования.
Сущность технологии состоит в том, что секцию очищают
от грязи и масла, укладывают изношенной частью на флюсовую
подушку. На место будущей наплавки наносят слой шихты и
секции. Образовавшаяся ванна жидкого металла становится
проводящим мостиком между секцией и зоной наплавки, где
Армируется сплав. Режим наплавки подобран так, чтобы
секции. Износостойкость восстановленных участков линейных
секций повышается в 2-3 раза.
С целью повышения качества наплавленного металла приме-
няют комбинированный метод наплавки, при котором используют
электродную ленту в сочетании с проволокой.
Расстояние между лентой и проволокой выбирается с таким
расчетом, чтобы предупредить образование общей сварочной
ванны. Расстояние должно обеспечить проплавление от элект-
родной проволоки на участке возможного образования подреза
от ленты. Весьма эффективным является метод расположения
электродных проволок по обеим сторонам ленты.
Электродная проволока подается отдельным механизмом рав-
номерно н одновременно с лентой. Комбинированный метод
наиболее целесообразен при наплавке лентами шириной более
500 м.
Для снижения возможности образования при перекрытии
валиков подрезов и шлаковых включений целесообразно приме-
нять электрод желобообразной формы. Профилированная лента
позволяет увеличить диапазон оптимальных скоростей наплавки,
обеспечивая хорошее формирование краев валика. Кроме того,
такой электрод более жесткий, что предотвращает его изгиб при
прохождении через слой флюса.
Для повышения производительности и улучшения качества
наплавленного металла применяют также метод наплавки двумя
электродными лентами, которые одновременно подаются в зону
дуги. Предотвращению образования шлаковых включений в
родная лента с отбортованными кромками. Это достигается в
основном увеличением длительности пребывания сварочной ван-
При наплавке электродной лентой под плавлеными флюсами
не всегда удается получить наплавленный металл требуемого
химического состава. Для этой цели применяют метод наплавки
с присадочным электродом, который представляет собой метал-
лическую сетку, заполненную порошками металлов и ферроспла-
Другим способом дополнительного лети
металла является наплавка лентой под слоем флюса по гранули-
рованному порошку, который подается впереди электрода на
основной металл в зону дуги.
Наплавка трехфазной дугой
иых трансформаторов. Иногда применяется наплавка двумя
Параллельными и изолированными один от другого электродами.
Электроды зажимают в специальный двухфазный электродержа-
тель, через который к ним подводят сварочный ток от двух фаз.
Т|ютья фаза подключается к детали. Трехфазная дуга горит более
устойчиво, чем однофазная. Главной особенностью способа
неплавки трехфазной дугой является возможность реального
позволяет получить минимальное проплавление основного метал-
ла и наибольшее количество наплавливаемого. При использова-
нии этого метода производительность увеличивается на 100-
120%, и снижаются расходы электроэнергии на 10-15%.
Наплавка электродами увеличенного диаметра
Этот способ значительно повышает производительность опе-
рший. В последнее время находят применение электроды с
3. Механизированная наплавка
Для повышения производительности процесса наплавки, улуч-
шения ее качества и облегчения труда сварщиков разработаны
юй наплавки плавящимся
различные с
мектродом.
Главной особенностью, отличающей механизированные спо-
собы наплавки от ручных, является возможность:
1) применения большой силы тока без перегрева электрода,
так, как в данном случае подвод тока к электроду осуществляется
на минимальном расстоянии от электрической дуги;
2) использования специальных автоматических устройств для
подачи материала в дугу;
3) осуществления непрерывности процесса наплавки путем
применения проволоки в виде больших мотков (бунтов);
4) применения различных способов защиты расплавленного
металла от вредного воздействия воздуха;
5) повышения производительности работы.
Разработано несколько основных способов механизированной
1) механизированная наплавка порошковой проволокой под
слоем плавленного флюса или в среде защитного газа;
ПОД слоем
3) полуавтоматическая наплавка леж
электродом под слоем плавленного флюса;
слоем плавленного флюса;
5) механизированная наплавка под керамическим флюсом;
6)
крытой дугой
8) виброду;
порошковой проволокой от-
1 в струе расплаве
или под слоем плавленного флюса;
9) высокочастотная наплавка и др.
Процесс механизированной наплавки под слоем флюса вы-
годно отличается от ручной тем, что проволока подается к месту
сварки автоматически, и электрическая дуга между электродом
и местом наплавки горит не в открытой воздушной среде, а под
слоем флюса, предохраняющим жидкий металл от разбрызгива-
ния. Расплавленный флюс образует оболочку и защищает зону
кислорода и азота воздуха к
рованяая наплавка может осуществляться либо с механическим
перемещением электрода вдоль корпуса наплавляемой заготовки,
либо с перемещением заготовки по отношению к электроду. В
обоих случаях расплавленный флюс, остывая, образует шлаковую
корку, которая легко удаляется с поверхности наплавленною
металла. Предложен весьма простой и производительный способ
изготовления порошковой электродной проволоки (путем воло-
чения стальной ленты холодного проката из сталей Ст08 и СтЮ),
которую запрессовываются соответствуй
В институте электросварки им.Е.О.Патона АН Украины был
сконструирован специльный станок для изготовления порошковой
электросварочной проволоки. Организовано массовое производ-
ство проволоки, созданы и работают специальные волочильные
станки на заводе в Нижневартовске я др.
При механизированной наплавке деталей сплошной проволо-
кой под плавленным флюсом легирование наплавленного слоя
. осуществляется с помощью флюса. Наплавленный металл полу-
чается без раковни и пор, весьма однородный по составу. В этом
случае легирование наплавленного металла происходит за счет
керамического флюса. В последнее время получила распростра-
проволокой с внутренней защитой. Более широкое применение
нашла наплавка в среде углекислого газа. Этот вид наплавки легко
подвергается механизации и автоматизации и может быть
плоских деталей - в любом пространственном положении.
Металл, наплавленный в среде углекислого газа, имеет чистую
поверхность, что позволяет увеличить производительность труда
при многослойной наплавке.
При наплавке порошковой проволокой с внутренней защитой
в сердечнике проволоки содержатся газо- и шлакообразующие
В этом случае применяется механизированная наплавка
шкрытой дугой (с использованием самозащитной порошковой
П|н>волоки). Возможность широкого регулирования химического
состава наплавленного металла является существенным пре-
имуществом этого способа. Его применяют для наплавки иаруж-
стий и деталей сложной формы). Порошковая проволока с
внутренней защитой обеспечивает устойчивое горение дуги, без
чрезмерного разбрызгивания металла, необходимое легирование
сварочной ванны для получения заданного химического состава
и других свойств наплавленного слоя, необходимую защиту
металла от азота и кислорода воздуха и получение плотного
наплавленного металла в широком диапазоне режимов наплавки.
крытой дугой с использованием порошковых проволок с внут-
ренней защитой является одним из эффективных способов
повышения производительности наплавки изношенных деталей.
нию с одноэлектродной в 2-3 раза. Разработанные режимы
наплавки позволили достичь хорошего формирования слоя при
отсутствии пор, трещин и шлаковых включений.
ВНИИСтройдормашем
неплавки порошкообразных материалов, отличающийся тем, что
расплавление этих материалов производится непосредственно на
наплавляемой поверхности слоем флюса. Для расплавления
порошкообразных материалов используется обычная стольная
малоуглеродистая лента Необходимая степень легирования
наплавленного металла обеспечивается порошкообразной смесью,
в зависимости от соотношения из порошков ферросплавов,
металлов, хокса и т.п.
Для наплавки этим методом могут быть использованы
сварочные тракторы ТС17МУ или АДС-1000. ВНИИСтройдорма-
шем разработаны специальные установки для наплавки плоских
деталей, в компоновке которых используются сварочные тракто-
ры, наплавка при этом ведется под флюсом АН-348-А. Матери-
. зм
алом электродной ленты служит лента из стали Ст08. Устойчивый
процесс наплавки обеспечивается при толщине ленты 0.4-0.5 мм.
причем ширина ленты может изменяться в пределах от 20 до 40
специальной установке конструкции НИПТИАММаша. Для на-
плавки лопаток дорожной фрезы применяется порошковая лента
ПЛ-У40Х38Г2. Наплавка ведется автоматически под слоем
пемзовидного флюса АН-28. Химический состав наплавленного
В Челябинском институте механизации и электрификации
сельского хозяйства была разработана технология восстановле-
ния звеньев гусениц трактора Т-100 износостойкой наплавкой
изношенных поверхностей беговых дорожек. Сейчас для этой
цели созданы и применяются спей
(Минцвет-
мет, Миннефтегазстрой), которые обеспечивают хорошее каче-
ство работ.
Основными узлами установки является сварочный автомат,
снабженный механизмом поперечных перемещений и механизмом
переключения. Зажимное приспособление обеспечивает зажим
звена со всех сторон по контуру беговой дорожки медными
>убками, через которые проходит проточная вода, что обеспечи-
вает эффективное охлаждение. Для обеспечения надежного
зажима звеньев с различной шириной губки сделаны разрезными,
т.е., по 2 с каждой стороны и 2 торцевые. Губки движутся в
направлении зажима от пневмоцилиндра механизма и в проти-
В случае затруднительности применения механизированной
наплавки иногда можно применять (при нанесении значительных
объемов металла на плоские поверхности) наплавку лежачим
электродом. Электроды выполняют в виде пластин, реже - в
виде прутка. При наплавке прутковым лежачим электродом
наплавленный слой имеет вид валика. Применение пластинча-
того электрода обеспечивает получение гладкой поверхности.
Процесс осуществляется следующим образом. На одну из
сторон пластинчатого электрода, повторяющую по форме зону
наплавки, наносят в виде пасты слой легирующей шихты.
Размеры пластины по длине и ширине должны быть больше
вают равномерным слоем флюса толщиной 3-5 мм, и на него
укладывают зашихтованный электрод. Сверху электрод покры-
вают слоем флюса толщиной 10-15 мм и на него накладывают
массивную медную пластину для лучшего формирования наплав-
ленного слоя и уменьшения выгорания флюса.
В месте начала горения ноперхности детали; место прк питания должно быть оголенс дсния сварочной дуги процесс гки. Глубина проплавления путем изменения толщины лсктродом, и может быть све; нюсоба является возможном инклий, для чего электродные ующей формы. Недостатка* нн проплавления основного ялика, что объясняется коле( пением сопротивления электре В таблице 2.1. показаны С] дуги электрод должен касаться соединения электрода к источнику > и зачищено. С момента возбуж- слоя флюса, находящегося под «на к минимуму. Преимуществом чь наплавки различных фасонных : пластины изготовляют соответст- < является неравномерность глуби- Закиями напряжения дуги и изме- эда в процессе наплавки. равнителъные качества наплавлен-
нмх материалов. Таблица 2.1.
Важным достоинством порошковых проволок и лент является
высокая производительность наплавки.
Технологический процесс i
должен строиться так:
совой проволоки
1. В процессе изготовления порошковой проволоки контролю
подвергать:
1) соответствие материалов требованиям ГОСТ или ТУ;
2) гранулометрический состав и влажность материалов ших-
3) качество очистки ленты от консервационной смазки и
размеры ленты;
4) коэффициент заполнения готовой проволоки.
Диаметр проволоки и допускаемые отклонения должны соот-
гствовать требованиям таблицы 2.2.
Таблица 2.2.
Нсмхвахмп* ошметр црсаолоьм. мм Допускаемое отиоаома оо диаметру. *м
4.0 3.2 Х8 -0.18 -0.18
Смесь порошков должна заполнять проволоку без пропусков
не должны отличаться от среднего значения более чем на 2,0%.
При разрезке и перекусывании порошок сердечника не должен
высыпаться. Кромки ленты должны быть сжаты настолько плотно,
чтобы самопроизвольное высыпание порошка из проволоки было
невозможно.
Поверхность проволоки должна быть чистой. Наличие ржав-
чины на поверхности и в сердечнике не допускается. Царапины
являются.
В отношении технологических свойств сварочная проволока
должна удовлетворять следующим требованиям:
- дуга должна легко зажигаться и гореть равномерно, с малым
разбрызгиванием металла и шлака;
- относительный расход проволоки не более 1,30 кг на 1 кг
наплавленного металла;
- при наплавке в один слой в наплавленном слое допускается
не более 2-х шлаковых включений или пор на 10 см2 зачищенной
наплавленный валик должен быть равномерным и хорошо
в наплавленном слое допускается наличие трещин, не '
- наплавку рекомендуется производить в один, два слоя
манками шириной 20-40 мм (с поперечными колебаниями 1
ялгктрода);
- допустима толщина наплавленного стоя S-6 мм;
- твердость наплавленного металла 63-65 ИКС,.
Не допускается спутывание проволоки в мотке. Масса мотка '
должна быть не менее 3 кг и не более 30 кг. Концы проволоки '
Приемка проволоки должна производиться партиями. Партия
и того же состава при неизменном расчетном составе шихты.
Все мотки должны проверяться в отношении внешнего вида,
диаметра мотка и проволоки, а также правильности намотки.
Разрешается исп
Hoio волочения.
Из числа годных по внешнему виду и размерам мотков “
отбирают 5%, но не менее 5 мотков для проверки однородности
заполнения. В случае неудовлетворительных результатов испы-
тания, обнаруженные негодные мотки исключают из партии и м
подвергают повторным испытаниям двойное количество мотков.
Из чиста мотков, принятых по однородности заполнения, э
(гтбирают 3%, но не менее 2-х мотков для проверки технологи-
металла. В случае неудовлетворительного результата испытаний
Н|и>изводится повторное испытание образцов проволоки, отобран-
ных от двойного числа других мотков той же партии.
При неудовлетворительных результатах испытаний партия
Освидетельствование мотков по внешнему ввду производит-
ся наружным осмотром без применения увеличительных прибо- .
ров. Размеры моУков проверяют линейкой. Диаметр проволохи -
измерительным инструментом с погрешностью 0,01 мм в двух
менее чем в двух участках мотка.
Для проверки однородности заполнения отрезают от конца
мотка образец длиной 120-150 мм, взвешивают образец с
погрешностью 0,01 грамма, затем вскрывают и тщательно
очищают оболочку от шихты. Взвешивают оболочку с погреш-
ностью 0,01 г. Делением разности массы образца и оболочки
образца на массу образца и умножением на 100 определяют
коэффициент заполнения в процентах.
Для проверки технологических свойств проволоки, твердости
и химического состава наплавленного металла производят на
плавку открытой дугой.
На пластину из стали СтЗ размером 200x60 мм и толщиной
14-20 мм наплавляют валики шириной 20-40 мм с поперечными
колебаниями электрода в один слой.
напряжение дуги, В
300-350
24-30
12-15
обратная
полярность
Источник питания дуги с
Проволоку и пластину взвешивают до и после наплавки с
погрешностью 1 грамм. Сравнивают массу израсходованной на
наплавку проволоки в увеличение массы пластины (после
зачистки наплавленного валика и пластины от шлака и брызг).
Отношение массы израсходованной проволоки к массе наплав-
ленного металла является относительным расходом проволоки и
не должно превышать 1,30. Наплавленный валик зачищают
Твердость наплавленного слоя должна составлять 63-65 HRC,.
Химический состав наплавленного металла определяется
методом спектрального анализа.
Каждый моток порошковой проволоки перевязывается мягкой
стальной проволокой не менее чем в двух местах. К мотку
привязывается проволокой металлическая бирка. Мотки оберты-
вают водонепроницаемой бумагой и упаковывают в жестяные
банки. В каждую банку укладывается матерчатый мешочек с
с водонепроницаемой
деревянные ящики.
исключающие коррозию проволоки и обеспечивающие ее хране-
ние в течение не менее одного года.
Пре
Автоматическая наплавка бил
ствляется под слоем обычного
гранулированного флюса. При плотности (переменного или
постоянного) тока 75-100 А/мм2 наплавка с постоянной скоро-
При нанесении на поверхность била слоя большой толщины
предпочтительнее пользоваться ванным способом с непрерывным
ведением процесса до
генного слоя заданной
Скорость подачи электродной
600-65(1
40-45
Напряжение на дуге, В
(*к(»|м)сть перемещения каретки
Последующих слоев
('|>елнсс число слоев при
4ЯДШИЮМ режиме и толщине наплавки
11|юизводительность автомата по массе
наплавленного металла, кг
Для наплавки одного била расходуется 140-160 г флюса марки
AII-348-A. Время наплавки одного била при помощи поверхности
китовой части 75x100 мм2, высоте наплавки 30 мм и весе
наплавленного металла около 2,5 кг составляет 6-8 мин.
И|юизводительность автомата, включая вспомогательное время,
равна 5-6 билам в час.
Производительность автомата составляет в среднем 100 кг
Ноеть наплавки вручную в 10-15 раз.
Применяют порошковую проволоку также для наплавки ко-
ленчатых валов автомобильных и тракторных двигателей.
Валки пилигримовых станов можно наплавлять порошковой
проволокой ПП-Нп-12х12Г12СФ, воспроизводящей сплав
10х13Г12АФСЮР.
В таблице 2.3. приведены результаты испытаний сплавов
10Х13Г12АФСЮР и 08X21Н10Г6, наплавленных порошковой и
сварочной проволокой, ПП-Нп-12Х12Г12СФ и высоколегирован-
ной стальной сварочной проволокой Св-08Х21Н10Г6, соответст-
венно. Металл, наплавленный проволокой ПП-Нп-12Х12П2СФ,
обладает более высокими эксплуатационными свойствами, чем
высоколегированная стальная сварочная проволока Св-
08X21Н10Г6.
Таблица 23.
Hia'iuenadt металл
10Х13П1АФСЮР 01Х21Н10Г4
Твердость металла НВ при Ig-HO м->»
Показатель технологическое прочности, мм/мнн 12,9-13,4 9,5-10,1
Результаты эксплуатации валков, прокатных станов, упроч-
ненных наплавкой порошковой проволокой ПП-Нп-12Х12П2СФ,
приведены в табл. 2.4. Для сравнения представлены данные
о валках, наплавляемых проволокой высоколегированной
Ст-08Х21Н10Г6.
Таблица 2.4.
Химический состав проволоки ПП-2ХЗВЮГТ и наплавленного металла в третьем слое
Исследуемый . Химвга.
с W о Мп Я п р
Проволока 0,50 11.0 3,2 1.2 $0.30 0.5 1.2 $0,25 $ 0,04 $0,04 ол
0,22- 0.26 9,50- 10,50 з’о" 0,60- 0,16- 0,29 оло 0,20- 0,40 0.25 0.04 0,04
Таблица 2.7
П.рамстрм режхм* Взмет lto~“
—1-
ПП-НЛ-30Х5Г2СМ (2.6) 30Х5Г2М Открытой дугой 260-340 24-26 18-20 25-35 673 50-56 кпчньк
ПП-Нп-200Х12М 20X1JM Под флюсом 3SO-400 30-32 2O-2S 40-50 723-773 °}(>-5С7>8 тоже
oT 50Х5М2ВНФ КИМ флюсом 350-500 25-30 20-30 40-50 623-673 50-55
ПП-КИИ 74 (3.2) 80ХЗГСВ2Ф Открытой дугой 220-300 24-26 18-25 25-35 723-773 55-57 |ш"иие
ПП-ОХ6Н8М7С <3; 2.8) OX6H8M7C в со. 300-350 2S-32 40-55 30-35 Без подогре- S’ Нет
| ya.?*) ।
увинлсскнн сосзавлЬоворокн Ulf-3X3R1OIJ ы H"4v5.-t-
При вырубке деталей из стали 40Х толщиной 9 мм стойкость
DX6H8M7C, повысилась более чем
Таблица 2.8
1
l'”' ’ре”ия сталь 40 сталь 4I0X сталь 38ХС 2 21635 4
1>>1жямиая втурка Матрица: сталь 40Х сталь 38ХС сталь 40Х J
>Н*1шилзвленных штампов из закаленной стали 50ХВ2С составляет 8-9 тыс.
л»1ялей. среднее число перешлифовок - три.
Пример. Наплавка порошковой проволокой деталей, подвер-
женных термоциклическому воздействию, осуществлялась на
Братском алюминиевом заводе для наплавки валков станов
непрерывной разливки и прокатки алюминиевой катанки. На-
нпивка валков производится на установке У-654 по следующему
угжшде
J 300-380
гили сварочного тока, А
'напряжение дуги, В : 30-36
ккорость подачи проволоки, мЛч 110-135
.полярность
С внедрением наплавки стойкость прокатных валков увели-
чилась в среднем в 8 раз, повысилась чистота поверхности
кптанки, сократилось число остановок прокатных станов из-за
смены изношенных валков.
Предложенная порошковая проволока может быть использо-
вана для наплавки штампов горячей штамповки, кокилей,
применяемых в литейном производстве, и других деталей,
подвергающихся циклическому воздействию высоких температур,
ггли температура нагрева поверхности не превышает 750*С.
При подаче в сварочную ванну расщепленного электрода
- 1 » ’ ' * " Таблица 2.9
Оптимальные режимы наплавки прессового инструмента под слоем флюса
*•* •— £ |и||Ц|
Пресс-втулка наружной поверхности) ПП-ЗОХГСА 2.0-4,0 2,8-3,2 лн-заа-л 300-320 27-29 35 .53 25-30
промежуточная СВ-18ХГСА ПП-ЗОХГСА 2.0-4.0 2.8-3.2 дН-348-А 300-320 27-29 3S 5-6 153 25-30 4ХНВ
Пресс-шайба диаметром: до 155 155-190 ПП-Нп-35В9ХЗСФ ПП-2ХЗВ10ГТ ПП-5Х4ВЗФ _ £ 2,8-3,2 200-230 200-220 ПИ п X X X X ПН 1Ш
Матрнцедержа- ПП-Нп-35В9ХЗСФ 3.2-3,6 2.0-4.0 ЛН-348-А 28МОО ЗМ2 35 1хнв
Режимы наплавки следует выбирать в зависимости от разме-
ров деталей, чтобы избежать стекания металла, глубокого
2.12).
Таблица 2.12
Режимы автоматической наплавки под слоем флюса
цилиндрических деталей малого диаметра
Дшметр детали, мм
200 140 120 40 м
Д«»мстр олектрода. 2,0 2.0 2.0 1,6 1.2
Сила тока, А 200-260 200-240 170-200 150-180 110-130
Н.тряженве, В 27-30 27-30 26-29 26-29 25-28
( «оросъ наапдак». 28-32 24-28 20-24 16-20 14-18
Пример. Наплавку шеек коленчатых валов производят с
предварительным подогревом вала индуктором промышленной
частоты или газовой горелкой до 200-250*.
Наплавку шеек коленчатых валов начинают не с галтельной
части, а с места, удаленного на расстояние 6-7 мм от бурта, что
сохраняет прочность металла галтели. Первый и последний
подвергают нормализации. Для этого вал нагревают в печи до
т-ры 880-9<Ю*С с выдержкой в течение 1,5-2,0 ч, затем
охлаждают на воздухе. Далее наплавленные шейки вала обта-
чивают, закаливают токами высокой частоты и шлифуют.
Применяется также установка для наплавки под флюсом
цстве выявило существенное повышение производительности.
Находит также применение наплавка коррозионностойкого
покрытия под флюсом вну
Для повышения работоспособности наплавленных деталей
применяется термообработка - отпуск, в результате уменьша-
Режимы
фименительно к применяемым составам
табл. 2.13. Повышение сопротивления
усталости после термообработки происходит независимо от марки
ловлено охрупчиванием феррита. Дает хорошие результаты
коррозиошюстойкая наплавка внутренних поверхностей патруб-
Основные условия автоматической наплавки под флюсом
низколегированных сталей приведены в таблице 2.14.
На форму и размеры наплавляемых валиков значительное
влияние оказывают величина, род и полярность тока наплавки,
напряжение на дуге, скорость наплавки, диаметр электродной
лясмой поверхности детали, состав и грануляция флюса.
Основные параметры режима наплавки можно выбрать по
табл. 2.15.
Пример. На Новолипецком металлургическом комбинате
внедрена многослойная наплавка электродной проволокой под
смесью флюсов (табл. 2.16) опорных валков прокатного стана
2000.
Таблица 2.16
i—j t—;---- Таблица 2.18
Техническая характеристика сварочных подвесных головок для однодуговой сварки
Параметры А-М СГ-4 УСА-2 АБ ЛГЭ-И АГЭ-4 АГЭ-5-2 Б Г 8
Допустимая ммооо 300-1500 500-1000 350-2000 350-2000 До 1500 500-2000 300-1300 300-2000 600-3000
Допускаемый 2-6 • 4-12 0 3-6 3-8 6-10
ПрОВОЛОКИ. ЗМ9 20-160 15420 2BJ-225 28,5-225 42-150 SO-1SO 50-150 19-100 36-288 30-120
поперечного корректиро- ±30 ±75 ±100 ±75 ±7S ±30 ±30 ±20 ±75
поперек шы * 45 ± 45 а 35 ± 45 ± 45
Пжрюмпри A-W СГ-* УСА-2 Afi
мундштук* вдоль шва к 35-60
настрой». 160 200 230 200
Х’^“" Нет Вете Нет Есть Есть
устройство Нет Нет Есть Есть Есть
на заданную проволоки И. liiisL Смен- iiiiL jltiis
головки, кг поджга) 60 so 120
Примечание. Масса указана без пульта, бункера, кассеты и т.п.
АГЭ-IS АГЭ-4 АГ>-5-2 S В
- 200 - -
Есть Есть Есть Нет Есть Есть
Есть Нет Есть Есть Нет Есть
Автоматически ||РПР1, вариатором
1" 16 | ISO
Техническая характеристика однодуговых тракторов
ТС-2. £ £ TC-W тс- ь^-'м 1500 1£1 ссм X; оитос
Т" смр!”‘"°го 1500 1200 2000 1000 2000 1500 1250 1000 1200 1200 1100 37ОО
з-в 3-0 3-S 4-6 M-S 3-8 3-« 2,5-6 3-6 4-6 3-6 3-5 3-3
Скорость подач. пробок». 30- 91.5 846 288 30- fzO 120 162 180
Способ настройки на проволоки сш эдш МВ СШ СШ МВШ МВ МВ МВ ЭД эд ЭД ЭД
Регулирование подачи ст пл пл ст ст ПЛ ПЛ ПЛ ПЛ ПЛ ПЛ ПЛ ПЛ
Скорость наплавке, м/с 9-S0 82.5 320 7бз 16-26 10-84 10-80 13-83 нмо 6-80 15-70 15-90 15-50
Способ настройки на СШ СШ мвш сш СШ МВ МВ МВ МВ эд ЭД ЭД ЭД
Поперечное ±30 - ±50 ±50 ±30 ±30 ДО)
Вертикальная настройка, мм 60 50 50 390 ПО 150 30 100 85
TC-J. ми ТС-1Т 1«-1 а^м ссм 1Х- 01ГЮС
внутри сосуда, мм₽ 1200 - 1200 1200 - - 800 - -
Емкость бункера, л 9 9 7 7 9 9 9 Я я 8 - 24
“ХХт- ”₽*“Я“Л 13 8-12 8-12 10 10 18 10 10 •2 18 12
проволоки, кг* Фл 30 I3S 130 40 « 80 75 « 32 104 63 81 70
Количество электродвигателей 1 2 2 1 1 2 2 2 1 2 2 2 2
Электродвигатель головки:
• PMI тЬоклтога’ чо МЛГ-2 ДТЗФ МАФ* Асинхронный МУН МУН
Частота, мин 2250 HS0 1430 2900 1400 1430 2S00 2800 2SW) До 200
Мощность. Вт 55 100 100 200 - -
Электродвигатель каретки
И10/4 ДТЭФ асинхронный £?• МУН МУН
Рекомендации производству. Наплавку самозащитной прово-
локой наиболее эффективно применять в арматуростроснии,
например, при изготовлении трубной арматуры диаметром от 40
до 150 мм, использующейся при давлениях до 10 МПа и при
температурах до 400’С. При этих условиях наиболее подхо-
Следует применять самозащитиую порошковую проволоку
ПП-Нп-10Х14Т. Состав наплавленного металла типичный -
0,12% С; 0,4% Si; 0,6%Mh;1.4%Cr:0.15%Ti. Твердость составляет
непосредственно после наплавки от 43,5 до 49 HRC. Наплавленные
заготовки нужно подвергать отжиму при т-ре 860-870’С, а после
этого механической обработке.
Наплавку задвижек с номинальным внутренним диаметром от
40 до 100 мм нужно осуществлять на специальной трехместной
(трехпозиционной) машине И 310, разработашюй в Институте
электросварки им. Е.О. Патона. Наплавка должна осуществляться
плавно в три слоя со сваркой (заваркой) кратера.
Наплавочный цикл должен быть автоматизировав. Для полу-
должны быть предусмотрены водоохлаждаемые формы из меди.
Для поплавки клиньев следует применять четырехпозицион-
ную машину И-289.
Для наплавки вырубных штампов следует применять автомат
с самозащитной поре
I РР-AN 140. Наплавленный
металл содержит 0,5% С; 11 % Ст. а также добавки Si. В и Ti.
Его твердость составляет после наплавки 59-61 HRC,, ударная
вязкость 24-30 Дж/смг. Наплавка вырубных штампов из стали
45 и 40С должна осуществляться без нагрева, в то время как
вырубные штампы из углеродистой инструментальной стали (0,7
до 1,0% С), а также из стали Х13 (2,0% С а 13% Сг) должны
нагреваться до т-ры 250-400'С, чтобы предотвратить возможное
образование трещин.
После наплавки нужно производить отпуск (1 час при 400’0.
Наплавленный участок может затем обрабатываться твердосплав-
ными инструментами, а также подвергаться шлифовке.
4. Наплавка в среде защитных газов
При этом способе наплавки злектродная проволока непре-
рывно поступает в зону плавления, предохранение ванны рас-
плавленного металла от воздействия воздуха осуществляется
подачей защитного газа. Наплавку, как правило, ведут при
постоянном токе. Этот способ позволяет производить наплавку
поверхностей и кромок деталей в различных пространственных
положениях. Для цилиндрических деталей диаметром менее 45
мм при этом методе возможно визуальное наблюдение за ходом
процесса. В качестве защитных газов при механизированной
наплавке используют углекислый газ и аргон. Углекислый газ
является активным газом. В дуге он частично диссоциирует на
окись углерода и кислород. Поэтому в процессе наплавки
происходит интенсивное окисление некоторых элементов, однако,
обеспечивается надежная защита расплавленного металла от
азота воздуха. Расход углекислого газа при наплавке обычно
составляет 600-1500 л/ч. В отличие от углекислого газа аргон
является инертным газом, он может применяться при наплавке
нсплавящимся (вольфрамовым) и плавящимися электродами.
Наплавка в чистом аргоне, по существу, представляет собой
простую переплавку основного и электродного металла. Химиче-
ский состав металла в этом случае изменяется практически
Наплавка в среде аргона. При наплавке в среде аргона дуга
«у химического состава, соот-
<ого металла.
псптвующсго
Наплавка в среде аргона применяется при обработке ответ-
• t венных деталей из высоколегированных сталей. Сущность
п|м»цссса аргоно-дуговой наплавки состоит в том, что в зону дуги,
горыщей между вольфрамовым электродом и изделием, вводят
прутковый наплавочный материал. Аргон обеспечивает защиту
(|х* *рного воздуха. Газоэлектрическая наплавка обеспечивает полу-
чение высококачественного наплавленного слоя.
Наплавка н среде углекислого газа. Углекислый газ в процессе
нлнлпнки непрерывно подастся в зону дуги, горящей между
вытесняется из зоны дуги воздух, предохраняя жидкий металл
от вредного воздействия кислорода и азота. Устойчивость горения
дуги в углекислом газе ниже, чем при наплавке под флюсом.
Углекислый газ разлагается (диссоциирует) при высокой темпе-
ратуре на атомарный кислород (О) и окись углерода (СО),причем,
чем выше температура, тем больше степень диссоциации. Чтобы
препятствовать окислению легирующих элементов, в электрон-
ный материал при наплавке
рующие элементы.
кремний, марганец) и другие леги-
В таблице 2.21 приведены допустимые количества некоторых
примесей в углекислоте различных сортов.
Наплавка в среде углекислого газа позволяет визуально
наблюдать за процессом и широко его механизировать и
наплавленного металла и возможность использования стандарт-
ного оборудования. Эти преимущества позволяют при наплавке
в среде углекислого газа повышать производительность труда в
3-4 раза и на 30-40% снижать себестоимость, по сравнению с
ручной дуговой наплавкой.
Таблица 2.21
Чистота и влажность сжиженного углекислого газа
различных сортов
Сорт упожжлого гвм
"“XL007 ТУВНИН^И ЦНШПМАШ*
^”^цде. с°г •% "° 983’’ 98.S-1
Содержание воды в свободном состоянии в % по весу, не более 0.1 исутеиует отеутс’-УИ
не определяется 0,18
Точка росы, *С, не выше то хе -34.0
Таблица 2.22
с™ ,ш. 60 80 100 140 200 2S0 300 400 500
Напряхе- 17-1» 18-19 13-20 19-21 20-25 21-27 26-30 28-34 28-37
Очень часто для восстановления размеров деталей и получе- ния износостойкого слоя наплавка производится порошковыми мм, током 250-280 А при напряжении на дуге 25-26 В. В зависимости от диаметра вылет электродной проволоки ориентировочно выбирается по таблице 2.23. Таблица 2.23
Диаметр электродной 0.5 0.8 1.0 1.2 1.6 2,0 2,5
Вылет, мм 6-8 6-12 7-13 8-15 13-20 15-25 15-30
Величина смещения электродной проволоки с зенита при
ляемой детали и обычно составляет 30-40 мм.
Скорость наплавки рекомендуется ориентировочно устанав-
ливать 20-30 м/ч.
Пример. Наплавка прессового инструмента. Пресс-втулки,
изготовленные из стали 4ХНВ, наплавляют после выработки
рабочего слоя 5-6 мм. Перед наплавкой пресс-втулку протачи-
вают для удаления изношенного металла, так как при наплавке
по изношенному металлу возможно появление трешип в наплав-
одят с предварительным и сопут-
ствующим подогревом в среде углекислого газа порошковой
проволокой диаметром 2-3 мм. Температура подогрева 300-350’С.
Необходим контроль за температурой.
Рекомендации производству. В среде углекислого газа нужно
наплавлять детали цилиндрической формы (наружные и виут-
Прн наплавке цилиндрических деталей наплавка должна
производиться либо по винтовой линии, либо валиками вдоль
образующей. Первый вариант рациональнее применять при
небольшом диаметре изделий, когда не требуется их подогрев.
Второй вариант наиболее целесообразен при наплавке изделий
больших размеров, если требуется сопутствующий подогрев. В
этом случае наиболее рационально наплавку производить вали-
ками длиной 60-80 мм с поперечными колебаниями.
При наплавке деталей, имеющих плоские поверхности,
валики накладываются либо сразу на всю длину поверхности,
либо отдельными участками “вразбежку".
Выбор способа и последовательности наплавки плоских по-
верхностей зависит от конструктивных особенностей деталей.
При этом необходимо учитывать, что наплавка длинными
валиками приводит к максимальным деформациям наплавляемых
деталей.
При наплавке в среде углекислого газа большое значение имеют
род и полярность тока, сила тока.
диаметр и вылет электродной проволоки, а также скорость
наплавки.
рук
основном лишь производительностью и стабильностью процес-
са. Значения сварочного тока в зависимости от диаметра
электродной проволоки выбираются по табл. 2.24.
Таблица 2.24
электродной проволоки в мм 0.5 0.» 1.0 1.2 1.4 2,0 2,5
Сила тока. А 30-100 60-150 80-180 90-270 120-3.50 200-500 250-600
Наплавку втулки рекомендуется производить по винтовой
линии, начиная с середины, с перекрытием валика на 1/3 его
ширины. Последние валики по краю втулки наплавляют при
отключенном ходе наплавочной головки.
Режим наплавки пресс-втулок устанавливается в зависимости
от диаметра втулки. Например, для втулки с внутренним
диаметром 172 мм из стали 4ХН В установлен следующий режим.'
320-360
24-26
30
2,7-2,8
5-6
сварочный ток, А
напряжение на дуге, В
диаметр электродной проволоки, мм
шаг наплавки, мм
вылет электрода, мм
смещение электрода от зенита, мм
расход углекислого газа, м3/с, * 0,278-КГ4
600
После наплавки втулки нагревают до 400’С и замедленно
охлаждают. Пресс-втулка, наплавленная по такой технологии,
сравнительно легко обрабатывается резцами с пластинами из
твердых сплавов.
Пример. Наплавка лопастей гидротурбины. Лопасти для
поворотно-лопастной гидротурбины (для повышения эрозионно-
стойкости при кавитационных процессах в пограничном слое
обтекания поверхности направляющих) наплавляют порошковой
проволокой диаметром 2,0-3,5 мм.
Профильная часть лопасти после литья подвергается меха-
нической обработке для получения профиля, соответствующего
1|>сбованиям чертежа. Для уменьшения коробления профильной
части лопасти наплавка производится в жестком приспособлении
(I установкой ребер жесткости и охлаждением водой) отдельными
участками размером 120x120 мм.
Участки наплавляют ниточными валиками с перекрытием
ем 1/3 ширины шва полуавтоматом с укороченным до 2,5 м
Рекомендуется следующий режим наплавки при диаметре
порошковой проволоки 2,0 мм:
строчной ток, А
напряжение на дуге, В
230-250
|М1Сход углекислого газа, м3/с, * 0,278-10** 600-800
Наплавку лопасти выполняют в два слоя. После наплавки
первого слоя его зачищают от брызг, окислов и шлака стальной
По окончании наплавки одной стороны профильную часть
лопасти ребра жесткости переставляют на наплавленную сторону
и наплавляют вторую сторону.
После наплавки лопасть подвергают термообработке с нагре-
пом до 500-550°С для снятия внутренних напряжений. После
гермообработки наплавляемый слой зачищают наждачными кру-
Кавитационная стойкость наплавленного металла по сравне-
нию со сталью 35Л увеличивается.
Пример. Наплавка матриц для горячего прессования цветных
металлов. С помощью электродуговой наплавки в среде угле-
диаметром более 20-30 мм.
Перед наплавкой матрицы подвергают механической обработ-
ке для удаления изношенного металла (в том числе трещин,
окалины и других дефектов). Матрицы с внутренним диаметром
более 60 мм рекомендуется перед наплавкой подогревать до т-ры
100-250‘С. Используют порошковую проволоку диаметром 1,6-3,0
В комплект установки для наплавки обычно входит:
- сварочная головка,
- источник сварочного тока,
- манипулятор и газовая аппаратура.
Для улучшения формирования валиков при наплавке ось
матрицы располагают под углом около 30* к горизонтали. Режим
наплавки зависит от размера матриц. Для матриц с внутренним
диаметром 60-120 мм применяют следующий режим: j
сварочный ток, А
напряжение на дуге, В
скорость наплавки, м/ч
диаметр электродной проволоки, мм
шаг наплавки, мм
вылет электродной проволоки, мм
смещение электрода от зенита, мм
расход углекислого газа, м2/с, х 0,278 Ю’1
180-240
25-30
2,4-2,8
3-6
20-25
7-15
600
Наплавка производится на постоянном токе обратной поляр-
после чего производится отпуск при температуре 400°С для
улучшения обрабатываемости. Для получения необходимой твер-
дости матрицу после механической обработки подвергают закалке
и отпуску.
Пример. Режим наплавки в среде углекислого газа с проковкой
шва вблнзи сварочной ванны проволокой марки ПП-ЗХ2В8ГТ
сварочный ток, А
240-260
скорость наплавки, м/ч 25-28
шаг наплавки, мм 6-7
J вылет электрода, мм 23-25
смещение электрода, мм 15-20
расход углекислого газа, м3/с, х 0,278-Ю"6 600-700
: расстояние зубила от оси электрода, мм 23-25
’ расстояние зубила от поверхности
частота ударов, мин'1
700
Наплавку в 3-4 слоя производят после предварительного
подогрева основного металла, наплавленное изделие помещают в
утепленный короб для замедленного охлаждения или завертывают
' В таблице 2.25 приведены режимы наплавки в углекислом
• ’ газе цилиндрических изделий малых диаметров.
Таблица 2.25
лавки цилиндрических деталей
малых диаметров
•“%
10 0.8 2,5-3,0 0,8 0.3 к 175 75 17-18 40-45
15 0,8 3.0 0.8 3 я 190 80 17-18 40-45
20 0,8-1,0 3.0 0,8 3-5 8 250 95 18-19 40-45
25 0Л-1.0 3,0 0.8 3-5 8 235 90 18-19 40
30 ЪО 3.0 0.8 5 8 200 85 18-19 35-40
30 1.0 3.O-3.5 1.0 5-8 10 150 95 19-20 35-40
40 1.0 3.0-3,5 0.8 8 8 200-235 85-90 18-19 30-35
40 1.0-1,2 3,5 1.0 8-10 10 150-175 95-105 19-20 30-35
Величины напряжений на дуге рекомендуется выбирать в
зависимости от силы тока в следующих пределах (таблица 2.26):
Таблица 2.26
5. Вибродуговая наплавка
Этот метод основан на использовании тепла кратковременной
дуги, возникающей в момент разрыва цепи между вибрирующим
бснностью этого способа является возможность получения малой
толщины наплавляемого слоя, прерывистый характер процесса
и непрерывное охлаждение поверхности наплавки.
Выбродуговая наплавка применяется для цилиндрических
деталей небольшого размера, особенно при ремонте деталей
автомобилей и тракторов, станочного оборудования (оси, валы.
шпиндели, шлицевые валики). За счет вибрации электродной
Деталь, закрепленная в центрах или в патроне станка, равно-
мерно вращается с необходимой скоростью. Для получения
наплавленного слоя по ее длине сварочная (вибродуговая) головка
оплавляются за счет дугового разряда. Перенос металла, обра-
зующегося в виде капли на конце электрода в период горения
во время короткого замыка-
ния. Перенос металла небольшими каплями облегчает формиро-
вание ровных плотных слоев наплавленного металла. При этом
процессе горения дуги достигается хорошее формирование наплав-
ленных валиков, обеспечивается возможность наплавки тонких
валиков, площадь сечения которых близка к площади сечения
проволоки. При необходимости время горения дуги может быть
увеличено включением в сварочную цепь дросселя или уменьшено
включением конденсатора параллельно разрядному промежутку.
Для улучшения условий горения дуги в зону наплавки подается
жидкости чаще всего применяют водный раствор кальцинирован-
ной соды или 20%-ный водный раствор глицерина.
Применение флюса обеспечивает спокойное горение дуги и
замедленное остывание металла, что предотвращает образование
трещин. В этом случае наплавочная установка дополнительно
оснащается устройством для удержания флюса. Так как при
вибродуговом способе происходит быстрое охлаждение маленьких
порций расплавленного металла, то возникает возможность
наплавки деталей малых диаметров.
Вибродуговая наплавка особенно эффективна при восстанов-
лении изношенных деталей, у которых допускаемый износ
составляет менее 1 мм. Вибро дуговой наплавкой восстанавлива-
ют стальные и чугунные детали, на которых необходимо нанести
равномерный тонкий слой наплавки при их минимальной дефор-
мации, допускающей отдельные незначительные дефекты наплав-
Преимущества вибродуговой наплавки: незначительный нагрев
деталей; малая деформация детали в процессе наплавки; получе-
ние твердой поверхности без термообработки; не требуется
получение равномерного слоя наплавленного металла.
Существенным недостатком вибродугового способа наплавки,
вызываемым непрерывным охлаждением и прерывистым харак-
тсром процесса, является образование мелких газовых пор,
Исследования и опыт применения вибродуговой наплавки
показывают, что этот способ является экономически целесообраз-
ным при восстановлении многих деталей тракторов, автомобилей
влсктродом обнаружил новые технологические направления мо-
дификации. К ним следует отнести наплавку в среде углекислого
внедряются также методы механической, термической, термоме-
ханической и ультразвуковой обработки металла, наплавленного
вибродуговым способом.
В Челябинском
и электрификации
сельского хозяйства разработан способ двухэлектродной виброду-
говой наплавки, отличающийся от однозлектродной более высокой
производительностью (до двух раз) и меньшим расходом элект-
(на 20-25%).
роэнергии на ед
Существенной особенностью двухэлектродной вибродуговой
наплавки является то, что электроды вибрируют со смещением
фазы амплитуд на 180', т.е. во время замыкания одного электрода
па сварочную ванну, второй находится па наибольшем расстоянии
от нее. Полученные положительные результаты исследования
образности внедрения указ
для восстановления
изношенных деталей тракторов, автомобилей и сельскохозяйст-
дуговой наплавки должен строиться следующим образом:
Рекомендуемые диаметры проволоки в зависимости от
толщины наплавляемого слоя должны выбираться по таблице
2.27, а ориентировочные режимы внбродуговой наплавки по
таблице 2.28.
Таблица 2.27
Выбор диаметра электродной проволоки
для вибродуговой наплавки
Гмщкп слм. мм Дшыяр межтрш. мм
Менее 1.0 1,0-13
1,0-2,0 1,5-2.5
2.0 и более 2.О-З.О
Твердость наплавленного слоя зависит от марки электродной
проволоки и режимов наплавки.
Таблица 2.28
Ориентировочные режимы вибродуговой наплавки в
струе жидкости
Диаметр электродной I.8-2.2 1.8-2.2 2.0
проволоки, мм/с 13-17 1S-22 14 20 22
Сварочный ток, А 110-130 150-180 130 180 210
Производительность наплавки указана в таблице 2.29.
Таблица 2.29
Производительность вибродуговой наплавки
Скорость Kt/о o,j?j ю4
12-15 1.8-2,2 90-100 13-17 1.3-2,2 0.9-1.1
15-18 2.O-2.5 110-130 15-20 l.S-2.5 1.2-1,3
18—20 2.5-3.0 130-180 16-22 1.6-3,0 1.5-1,6
20-22 2.5-3,0 180-210 16-23 1.6-3.0 i.8-2,2
Вибродуговую напл
- потери электродного металла на угар и разбрызгивание
П-30%;
- коэффициент наплавки а - 8-10,9 г/А • ч;
- коэффициент перехода из проволоки в наплавленный металл
для углерода 0,40-0,50, для марганца - 0,50-0,60;
10-30% стоимости новой детали;
- коэффициент расплавления порошковой проволоки <хр и
потерь у, ширина Ь и высота hH, глубина проплавления h^;
- кроющая способность шлака Е=3|п/5ь.где Sm и 8Ь - площади
поверхности наплавленного валика.
Ряд этих показателей определены Краматорским машиностро-
ительным институтом, применяемые режимы указаны в таблице
2.30 и 2,31.
Таблица 2.30
ll-жер режима 1 . А Н. ми V. м/с
1 150-180 16-18 12-13 18
з 200-220 18-20 14-14 20
3 230-250 20-22 14-15 22
Таблица 2.31
Номер $ 1 \ 6.
г/<А я) мм
Р ? 10*9 12,8 16.2 13*7 20.4 5.0 6.3 5.5 2.6 2,5 L4 0.82 0.84 0.86 8.4
П з 12,2 12,6 14.4 10,7 11.3 12.1 12,6 6.3 2,4 2.5 2.8 0,7 0.9 1,00 0.98 1.00 16,5
н 3 10.4 1U9 12*4 18,7 6.2 6.8 2,7 2.9 3.0 0.8 13 0.98 0*95 15,4
в 2 пт 8.4 13.6 5.4 5.6 5.5 2*1 2.4 1.0 1.3 1.8 0.78 0,85 0,88 10,8
м 2 |М 8.7 9.4 10,7 20 7 5.3 2.0 2.2 0.7 14 0.81 0.88 0,94 9,6
л 1 11.4 12.5 9.2 в? 2,0 2.1 0.9 1.0 0.83 0,92 13,8
Основные параметры режима вибродуговой наплавки деталей
различного диаметра приведены в таблице 2.32.
Таблица 2.32
Основные параметры режима наплавки деталей
различного диаметра
Юкмекз=хй метр «.шииты* дета». ж
100 п 30 эо 10
Диаметр проволоки. 2.0 1.6 1.2 1.0 0,8
Скорость подачи 50-90 90-100 150-180 200 до 250
КлюяспэшиЯ диаметр пшмммоИ детали. мм
100 70 30 30 ю
Колебания проволоки. 20-35 30-45 30-45 45-60 45-40
Амплитуда колебаний проволоки, мм 2.5 10-2.5 1.8-10 1.5 1.0
1Ыпр<ж«н«е на 32-35 32-35 30-32 25-32 25-32
против вращения, мм 6.8 4 4 до 2 до 2
Шаг при наплавке, мм:
“виток к витку" 5-7 4 3
8
В таблице 2.33 приведены данные режимов автоматической
При обычно применяемых режимах вибродуговой наплавки
коэффициент расплавления составляет 9-12 г/А ч, коэффици-
ент наплавки 8-10 г/А ч, потери электродного материала на
угар и разбрызгивание 11-15%, количество расплавленного
металла (1,45-1,75) х 277,8*10'6 кг/с, количество наплавленного
металла 1,2-1,5 кг/ч, коэффициент перехода углерода в наплав-
ленный металл 0,45-0,55, марганца 0,45-0,60.
Таблица 2.33
Рекомендуемые режимы и параметры автоматической
Пример. Толкатели клапанов двигателей наплавляют вибро-
дуговой наплавкой на переоборудованном токарном станке на-
плавочной головкой, смонтированной на суппорте. Для зачистки
поверхности толкателя наждачной бумагой и для его наплавки
применяют специальную оправку, представляющую собой как бы
чашечный поводковый центр, изготовленный из меди. Такую
оправку закрепляют
ее центри-
рующую конусообразную выемку вставляют тарелку толкателя.
Стержень толкателя подпирают задней вращающейся чашеобраз-
ной оправкой, заменяющей задний центр станка. Оправки
обеспечивают быструю установку и съем толкателей.
При восстановлении наплавкой толкатель обезжиривают и
устанавливают в патрон токарного станка, где наплавляемую
поверхность зачищают от металлического блеска.
Режим наплавки-.
1,6-2,0 мм
сила тока, А
напряжение на дуге, В
скорость подачи проволоки, м/мин
продольная подача суппорта вместе
с наплавочной головкой, мм/об
число оборотов стержня
толкателя, об/мин
амплитуда вибарции конца
сварочной проволоки, мм
полярности
65Г и ОВС
120-160
1,0-1,3
1,5-2,0
постоянный
обратной
Для охлаждения применяют 15-20%-иый раствор техниче-
ского глицерина в воде или 4-6%-ный раствор кальцинированной
Расход раствора составляет 0,5 л/мин.
Наплавку начинают с кромки цилиндрической поверхности
от тарелки в сторону стержня. Толкатели клапанов двигателей
ГАЗ-51 наплавляют на длину 24 и 15,5 мм, двигателей ЗИЛ-120
на всю длину до диаметра 17,0 им. После наплавки первого
валика на 1,0-1,3 окружности стержня толкателя включают
продольную подачу головки, установленную на суппорте станка.
Твердость металла, наплавленного электродной проволокой
ОВС, находится в пределах 37-59 HRCa, проволокой 65Г- 34-41,5
HRC,. Для лучшей механической обработки наплавленный металл
ную часть толкателя обтачивают на станке и подвергают
поверхностной закалке токами высокой частоты до 51,0 HRCa,
после чего шлифуют.
6. Электрошлаковая наплавка
Этот процесс основан на выделении тепла электрического
разряда в ванне расплавленного флюса. Электрошлаковая наплав-
ка используется для изготовления биметаллических деталей, а
покрытий. В процессе
также для получл
наплавки электрический ток проходит через расплавленный
сварочный флюс, в результате чего выделяется тепло, необходи-
м«х- для расплавления кромок деталей и электрода. Электрод
подается в ванну, состоящую из жидкого флюса, ограниченную
специальным формирующим
расплавляемой поверхностью и
устройством.
Формирующим устройством могут служить графитовые,
медные или стальные накладки. Применямые флюсы должны
иметь определенную вязкость и электропроводность. При исполь-
зовании флюсов с малой окислительной способностью имеют
место незначительные потери легирующих элементов наплавки.
а также ленты или стержни большого сечения. Температура
более 2000’С. Скорость плавления электрода очень велика,
30 г/А • ч., потери на
коэффициент пл
Лучшие условия для наплавления основного металла и
получения глубокой шлаковой ванны создаются при вертикаль-
ном положении шва, поэте
1вую наплавку чаще
всего применяют в сочетании с принудительным формированием
детали на специальных технологических планках, которые затем
удаляют с детали. В начале, пока процесс еще не установился,
наплавленный слой может быть недостаточного качества, эта
часть шва и остается на начальной планке, в конце шва планки
применяются для выведения усадочной раковины.
В начальный момент возбуждается дуга между электродной
проволокой с начальной планкой и происходит расплавление
засыпанного в зазор флюса. Как только образуется шлаковая
ванна, дуга гаснет и ток начинает протекать через расплавленный
шлак. Расход флюса в 15-20 раз меньше, чем при электродуговой
наплавке под флюсом. Подача флюса необходима только для
компенсации расхода его на образование шлаковой корки,
имеющей толщину 1-1,5 мм. Подача электродной проволоки и
межных ползунов осуще
ратом. По мере запол
аппарат перемещается вверх по детали. В результате теплопро-
вода в деталь и медные ползуны сварочная ванна охлаждается
и затвердевает, образуя наплавленный слой.
При небольшом объеме шлаковой ванны возможно ее заки-
пание. В результате этого снижается электропроводность, умень-
шается ток, то есть, возможно несплавление электродного
металла с основным.
Институтом электросварки им. Е.О.Патона разработано не-
сколько аппаратов для электрошлаковой сварки и плавки,
например, перемещающиеся по рельсам аппараты А-371, A-S35,
1-433М и непосредственно по детали А-306, А-350. Отсутствие
илсктрической дуги, наличие активного сопротивления, шунти-
рующего промежутка, определяет несколько иные требования к
источникам питания электрошлакового процесса. Отличительной
устойчивостьприоченьнизкойплотноститока (от 0.1 Ю6 А/м2).
Пднлучшие условия создаются при питании от трансформато-
ров с жесткими вольт-амперными характеристиками. К тому
же трансформаторы обладают меньшим весом при более высоком
к.п.д. (модель ТШС-1000/3 и др.). При электрошлаковой
наплавке в качестве присадочного материала можно применять
сварочные проволоки, которые кроме подачи их в сварочную
«инну, могут получать возвратно-поступательное движение, а
сечения. Формы, размеры и количество электродов выбирают
исходя из размеров и формы наплавляемой поверхности. Для
износостойкой наплавки, как правило, используют высоколеги-
Помощью порошковых проволок. При электрошлаковой наплавке
реакция между расплавленным шлаком и металлом протекает
Интенсивно вследствие высокой температуры среды сварочной
Мины. Поэтому, выбирая марку флюса для наплавки высоколе-
тированных сталей, не
способности. Для электрошлаковой наплавки износостойких ста-
лей применяются флюсы АН-22, АН-26П, 48-ОФ-Ю.
Технологические особенности электрошлаковой наплавки за-
ключаются а том, что легирование наплавленного металла
возможно производить только через проволоку (электрод). Элек-
Т|и>шлаковый Процесс позволяет осуществлять наплавку плоских
поверхностей, наружных и внутренних цилиндрических поверх-
также тел вращения с перем
нрименением электродной проволоки и электрода большого
сечения с плавящимся мундштуком. Режим электрошлаковой
наплавки зависит от формы и размеров наплавляемой детали и
Толщины слоя и определяется величиной сварочного тока,
напряжением при сварке, глубиной шлаковой ванны, диаметром
лета электродной проволоки от мундштука до шлаковой ванны;
ствием потерь на угар и разбрызгивание, незначительным
окислением легирующих элементов и повышенным качеством
наплавленного металла (отсутствием пор, трещин, шлаковых
включений, непроваров и т.д.).
При изготовлении многослойных покрытий деталей и загото-
вок для прокатки находят применение различные способы
горизонтальной электрошлаковой наплавки (ЭШН) с помощью
неплавящихся электродов. Наплавка ведется сразу по всей
поверхности большой площади слоем толщиной от 10 до 200 мм.
При этом масса наплавленного слоя может достигать 1,0-1,5 т.
условиями его
Качество
несколько порядков больше, чем при других способах ЭШН, а
коэффициент ее формы в начале кристаллизации находится в
пределах 10-60, увеличиваясь по мере затвердевания металла.
Поэтому влияние бокового теплоотвода на кристаллизацию
незначительное и последняя идет преимущественно в вертикаль-
ном направлении.
Характер кристаллизации металла исследуют эксперимен-
тально путем периодических замеров глубины металлической
ванны стальным прутком 04 мм, определения температур жидких
моделирования.
температуры ниже температуры плавления металла. Встречное
затвердевание, от основного металла и от шлаковой ванны,
приводит к образованию в наплавленном слое усадочных раковин,
которые при прокатке обычно не завариваются. Электрошлако-
вый обогрев позволяет создать по толщине наплавленного слоя
температурное поле с положительным градиентом. При этом
обеспечиваются направленная кристаллизация металлической
ванны, подпитка ранее затвердевших участков жидким металлом,
выведение и рассредоточение усадки по поверхности.
Градиент температур по толщине основного металла можно
изменять перед заливкой присадочного металла, нагревая повер-
хность основного металла до заданной температуры за разное
время. С уменьшением продолжительности нагрева и теплона-
сыщенности основного металла сокращается продолжитель-
ность затвердевания наплавляемой стали.
С повышением удельной мощности электрошлакового обогрева
и, соответственно, удельного потока '
• к фронту
затвердевания, скорость кристаллизации уменьшается, время
цюшлакового обогрева, можно в определенной мере регулировать
п|юдолжительность затвердевания наплавленного металла, веро-
нюсть появления и глубину залегания усадочных микрорыхлот,
также интенсивность химического взаимодействия металла и
Минимальная мощность электрошлакового обогрева с при-
менением низкокремнистых флюсов, при которой обеспечивается
направленное затвердевание наплавляемого металла с наиболь-
шей скоростью, составляет 280-300 кВт/м2 для коррозионностой-
кой стали типа J8-J0 и 290-330 кВт/м2 для углеродистых сталей.
Пни меньшей интенсивности обогрева в наплавленном слое
об|шзуются усадочные дефекты.
При ЭШН в горизонтальном положении с применением
нсплавящихся электродов целесообразно производить быстрый
нагрев поверхности основного металла (на большой удельной
мощности) и вести обогрев наплавляемого металла на мощности,
обеспечивающей требуемое качество и производительность. На-
плавка углеродистой и высоколегированной сталей с применением
жидкого и твердого присадочных металлов при получении
мготовок из износостойких и коррозионностойких биметаллов,
П|»о водимая
ерностсй, происходит
Гладкой. В наплавленном слое отсутствуют дефекты усадочного
и ликвационного происхождения, металл плотный по всей
Толщине, однороден по химическому составу, характеризуется
равномерным распределением неметаллических включений и
Новейшие разработки расширили область применения ЭШН,
что позволяет считать этот технологический процесс универсаль-
ным. Способ пригоден как для наплавки толстого слоя с его
принудительным формированием, так и для наплавки сравни-
। ель но тонкого слоя, толщиной до 3-4 мм, при свободном
Цюрмировании металла. Процесс используется для наплавки на
плоскость по сложному, в том числе пространственному контуру,
и для торцевой наплавки. Наплавляют как плоские, так и
цилиндрические и конические наружные и внутренние поверх-
ности. Область применения электрошлаковой наплавки расширя-
ется благодаря возможности сочетать ее с электрошлаковыми
наплавлять слой с изменяющимися по длине заготовок химиче-
ским составом и свойствами по заранее заданным параметрам.
гкий прием позволяет получать биметаллические детали, по
||юрме приближающиеся к готовым изделиям.
Разработана технология ЭШН композиционных сплавов, при
которой в шлаковую ванну подают зернистый материал. Пла-
ная часть тока протекает в ограниченном объеме централы1<п1
части шлаковой ванны между торцом электрода и зеркалом
металлической ванны.
В ИЭС ИМ.Е.О. Патона разработан новый способ электрошла
ковой наплавки, который позволяет получить соединение «•
равномерным и минимальным проваром основного металла и
однородным химическим составом наплавленного металла. Про
цесс протекает с использованием плавящегося электрода боль
шого сечения.
С целью повышения производительности для изготовления
двухслойных листовых заготовок применяется разработанный н
ИЭС ИМ.Е.О. Патона способ горизонтальной электрошлаковой
наплавки лентами.
Разработка метода электрошлаковой наплавки двумя парал
лелъными ленточными электродами под слоем флюса и создание
специального оборуд
сить производитель
ность наплавочных работ в 1,5-2 раза по сравнению с методом
дуговой наплавки лентой.
Сущность процесса автоматической электрошлаковой на
плавки лентами (ЭШНЛ) заключается в том, что в сварочную
головку вводится два параллельных ленточных электрода с
зазором между ними. После зажигания дуги под флюсом в
пространстве между лентами возникает шлаковая ванна, которая
шунтирует дугу. Вследствие этого процесс переходит в электро-
шлаковый.
Положительной особенностью ЭШНЛ является существенное
снижение доли участия основного металла в составе наплавлен-
ного металла по сравнению с другими способами наплавки. Это
объясняется тем, что отсутствует непосредственное воздействие
электрической дуги на основной металл, так как процесс
плавления электродных лент бездуговой.
Применение метода ЭШНЛ позволяет уменьшить долю
участия основного металла до 7-10%. Наплавки, выполненные
ЭШНЛ, обладают значительным запасом долговечности
При использовании флюса марки ОФ-10 можно осуществлять
электрошлаковую наплавку в широком диапазоне параметров
режима по силе тока, напряжению и скорости ведения наплавки.
Отработа!
। для лент различной ширины
позволяют получать за один проход высоту наплавленного слоя
до 6 мм. При этом производительность наплавки для лент
В ЦНИИТмаш разработана и исследована новая марка
электродной наплавочной ленты Св-03Х22НПГ2Б.
материалов с последующей прокаткой и спеканием.
При электрошлаковой наплавке спеченными лентами наплав-
ленный металл отличается высокой степенью однородности.
Пример. Наплавляли электрошлаковым способом патрубки
из конструкционной стали с внутренним диаметром 200-260 мм
н толщиной стенки 10-26 мм с использованием флюсов АНФ-29
н АН-75. В качестве присадочного материала применялась литая
дробь диаметром 2-4 мм из нелегированного серого чугуна.
Источник питания - трансформатор с жесткой характеристикой
ТШП-10000-1. При наплавке применялись кристаллизаторы-до-
рны нескольких тн
внутренней поверх!
25-45 мм.
шеров, позволяющие получать на
зцов наплавленный слой толщиной
Электрический режим наплавки изменяли в пределах:
28-36
2,2-3
напряжение, В
производительность, кг/ч 25-35
Техника наплавки заключалась в следующем. Производился
“жидкий старт" путем заливки порции расплавленного флюса в
кольцевой зазор между внутренней поверхностью наплавляемой
трубы и кристаллизатора-дорна. Включалось сварочное напряже-
ние и начинался подогрев наплавляемой детали методом элект-
рошлакового процесса.
Начальное сварочное напряжение должно быть по величине
50-60 В, т.е. значительно выше рабочего, что необходимо для
расплавления шлаковой корочки, образующейся на холодных
электродах, и быстрого выхода на рабочий режим.
Время подогрева детали шлаковым процессом (без подачи
присадочного металла) зависит от толщины наплавляемой трубы,
После окончания подогрева начиналась наплавка. Включался
дозатор-питатель, подавался присадочный металл - чугунная
дробь и включался механизм опускания наплавляемой детали
(трубы). Регулирование скорости опускания трубы осуществля-
лось по току. С возрастанием тока (что означало повышение
уровня металлической ванны сверх нормы) скорость опускания
трубы увеличивалась, возвращаясь тем самым к исходному
режиму. И наоборот, при уменьшении силы тока опускание трубы
замедлялось.
В таблице 2.34 приведены данные по некоторым опытным
наплавкам, характеризующие зависимость качества процесса
наплавки от его параметров.
Из таблицы видно, что стабильный процесс наплавки насту-
пает при использовании флюса АН-75 и следующем режиме
наплавки: V=30...32B; 7«2,3...2,8 кА, что соответствует платности
тока на шлаковой ванне i-6.,.9 А/см2. При выходе режима за
эти пределы стабильность процесса нарушается либо в сторону
затухания (при снижении тока), либо из-за закипания шлака.
Таблица 2.34
* >~Ч« Таши-
« »
1 200 10 140 30 30 30 5.0 не стабильный
2 260 10 170 45 45 45 2>2Д стабильный
3 260 10 170 25 45 45 Х5-2.8 стабильный
Вращение шлаковой ванны стабильное, с частотой 40-60 мин.
Хорошие результаты получаются при наплавке слоя толщиной
больше или равной 45 мм (см. таблицу 2.35 позиция 2).
Перспективен способ широкослойной наплавки под флюсом
ленточным электродом сплошного сечения.
Используя нагрев вылета электрода электрическим током
(повысив жесткость ленты при ее профилировании), можно
достичь прироста производительности ДОа в 1,5 раза без
увеличения мощности источника питания (таблица 2.35).
Таблица 2.35
1 п’“^“ Видет ммтром. мм
12 20 28 34
ллскт^да^з вылете. К 573 873 1023
сухой^флюс, ВтЛ? 1367 1706 1763
Коэффициент теплопередачи 2 2033 2537 2712
Производительность расплавления 9.4 9.4 9.9
жен 573 833 973 1073
электрода на вылете
Коэффициент теплоотдачи в сухой флюс, Вт/м 1496 1442 1334 1492
Коэффициент теплопередачи2 1396 3378 3473 7321
электрода, кг/ч ** 11.0 14.4 16Д 17.8
двух
Для применения стандартных спеченных электродных лент,
разработанных для электродуговой наплавки, при электрошлако-
вой наплавке лентами (ЭШНЛ) необходима корректировка их
состава. Кроме того, расширение областей применения и номен-
клатуры наплавляемых деталей ставит задачу разработки лент
новых составов. Для ЭШНЛ обжимных и листопрокатных валков
н других деталей металлургического оборудования разработаны
ленты марок ЛС-20Х5ФМС и ЛС-25ХГСА. Благодаря малой доли
зовать как для однослойной, так и для
Наплавку производят лентойЛС-45Х4В2М2ФС сечением 40 *
I мм под флюсом АН-26П на постоянном токе обратной
полярности на обычном оборудовании; источник питания -
сварочный выпрямитель ВДУ-1001.
Наплавка обеспечивает стабильный электрошлаковый про-
цесс, хорошее формирование и отделимость шлаковой корки, а
Стойкость ножей бульдозеров, наплавленных по указанной
технологии, в 1,2-1,5 раза, а производительность наплавки в .
2,5-3 раза выше по сравнению с наплавкой проволокой ПП-Нп- |
35В9ХЗСФ.
Производительность наплавки при этом в 2-2,5 раза выше •
по сравнению с наплавкой проволокой.
48-ОФ-Ю.
Повышенная окислительная способность этих флюсов, обус- *
ловленная наличием SiO2 и МпО, обеспечивает отличное смачи-
тельно высокая, она плавно возрастает при охлаждении. Приме-
нение этих флюсов позволило получить отлично сформированные
валики с гладкой поверхностью при минимальном, но стабильном
проплавлении основного металла.
Температура шлаковой ванны при ЭШНЛ с использованием
различных флюсов определяется по таблице 2.36.
Таблица 2.36
Температур». 'С
оапр вахни 15 км от оахтра аавям
АНФ-1П 1750 1600
АНФ-6 1850 1700
Тмиратур*. "С
демто мию4 15 мм ot омггра аапы
АНФ-14 1900 1720
48-ОФ-Ю 2070 1850
АН-26П 2150 1850
Для ЭШНЛ обжимных и листопрокатных валков и других
галей металлургического оборудования разработаны ленты
марок ЛС-20Х5ФМС и ЛС-25ХГСА.
Результаты химического анализа металла однослойной элек-
трошлаковой наплавки лентой ЛС-20Х5ФМС под различными
флюсами представлены в таблице 2.37.
Режим наплавки: Je - 500-550 A; U_ - 34-36 В; VH - 10
м/ч; зазор - 14 мм; лента сечением 40*1 мм.
Таблица 2.37
Состав ленты и наплавленного металла
Сомрхаже мемдо». %
С я Мп Сг Мо
Лента ЛС-20Х5ФМС 0.30 1,15 0.95 5.40 1.48 0,62
Наплавленный металл (флюс 0,26 1.08 2,35 4.7 1.36 0,60
То же (флюс АН26П) 0.27 1.45 0.87 4.8 1.42 0.42
То же (флюс 48-ОФ-Ю) 0.28 0,94 0,69 5.И 1.46 0.48
Как видно из таблицы 2.37 окисление углерода во всех
случаях незначительное. При наплавке под флюсом АН-60
достигаются удовлетворительное формирование и отделимость
шлаковой корки. Наиболее нейтральным является флюс 48-ОФ-
10, но по комплексу технологических свойств, и в первую
очередь, по отделимости шлаковой корки, этот флюс уступает
флюсу АН-26П.
Рекомендации производству. Технологический процесс элект-
рошлаковой наплавки плоских тел и тел вращения должен
строиться в соответствии с таблицами 2.38 и 2.39.
Таблица 2.3S
Рекомендуемые режимы наплавки плоских тел
V* 4,274 10*
30x1 550-600 34-36 12—IS 12-14 25
60х] 850-900 j 34-36 10-15 16-18 30
Таблица 2.39
Рекомендуемые режимы
авки цилиндрических изделий
Секмме Параметры режим* ваплдга
* • "Т Г м
400-600 30x1 450-600 34-36 12-16 12-14 25 20-28 25-30
30х| 500-650 34-36 14 14 25 22-30 25-35
40x1 550-700 34-38 14-18 14-16 30 28-38 25-35
т““ 60x1 £38 16-22 3S 45-50 gs
Пример. Промышленная электрошлаковая наплавка ножей горячей резки металла, а также роликов моталок внедрена на 45, материал роликов - сталь 9ХФ, диаметр - 380 мм. Оборудование: серийная наплавочная установка УМН-10 с Источник питания - сварочный выпрямитель ВДУ-1001. Ножи наплавляли лентой ЛС-45Х4В2М2ФС сечением 30 х 1 мм под флюсом АН-26П в два слоя на режиме: Ja - 500-550 A; Ua - 34-36 В; Vh - 12 м/с; зазор между лентами - 14 мм. Ножи замедленное охлаждение в термостате. Стойкость ножей, наплавленных по указанной технологии, в 35В9ХЗСФ.
Характеристика спеченной электродной ленты для электр-
дана в таблице 2.40.
J
.«» I--- SI.' Таблица 2.40
Характеристика спеченной электродной ленты для электрошлаковой наплавки
й СроюЛ «стм мгидме-кир мтллв. %
с ° W
ЛС-45Х4ВЗФС 0.9 0.5 4.0 3.0 v-e.6 резки горячего металла а др.
ЛС-454В2М2ФС 0.9 0.5 4.0 2.8 Мо-2,8 Наплавка деталей, работающих в нагрузки я сильного абразивного прокатки; ножи горячей резки металла
ЛС-70ХЗМНС 0.9 0.5 3,5 Наплавка деталей, работающих в
сраюл мсти иплзмеивого ыстии. % Tzr
с я * °
ЛС-20Х10Г10Т 0.20 03 10 10 «и И-34 изнашивания. кавитации и коррозии, например: плунжеры гидропрессов и др.
ЛС-20Х5ФМС 0.2S 0.9 0S S.S Наплавка деталей, работающих в условиях циклической термической нагрузки я умеренного абразивного прокатки и Другие детали
ЛС-25ХГСА 0,30 0.9 0,7 1.1 - 23-34 Восстановительная наплавка деталей, изготовленных из высокопрочных сталей например: тракторные катке, ролики
Пример. При наплавке роликов моталок вначале наплавлялся
подслой основного покрытия лентой ЛС-25ХГСА.
Режим: - 450-500 А; Ц, - 34-36 В; V, - 16 м/с; зазор
- 14 мм; шаг наплавки - 25 мм; смещение с зенита - 20-25 мм;
флюс - АН-26П; сечение ленты 1x30 мм.
Предварительный подогрев до т-ры 200‘С; после наплавки -
замедленное охлаждение. Рабочий слой наплавлялся лентой
ЛС-5Х4В2МФС сечением 30 х 1 мм под флюсом АН-26П иа том
же режиме. Указанные режимы обеспечивали устойчивый элек-
трошлаковый процесс, хорошее формирование наплавленного
слоя и отделимость шлаковой корки, а также отсутствие
дефектов - пор, трещин, шлаковых включений.
Промышленные испытания роликов, наплавленных по опи-
санной технологии, показали, что их стойкость не уступает
стойкости роликов, наплавленных порошковой проволокой ПП-
Нп-35В9ХЗСФ по заводской технологии. Производительность
наплавки при этом в 2-2,5 раза выше по сравнению с наплавкой
вовления изношенных роликов из стали 9ХФ, которые до этого
не наплавлялись.
Д ля упрочнения зудьев ковшей экскаваторов очень эффектив-
При этом используется постоянно работающий, неплавящийся
электрод, поддерживающий шлаковую ванну в рабочем состоя-
нии. Когда этот электрод погружается в ванну, порция жидкого
шлака переливается в кристаллизатор, и начинается плавление
расплавляемого электрода - литой пластины из износостойкого
сплава 40x30 Т (« 4% С; 30% Cr;0.4%Tv)c поперечным сечением
20 мм к 120 мм. В кристаллизаторе образуется слиток с
необходимого
ся электрод удаляется, а в
жидкий шлак погружается хвостовик зуба (из стали с 0,35% С).
После незначительного оплавления торцовой поверхности заго-
товка глубоко погружается в незатвердевшую (незакристаллизо-
Одновременно поднимается неплавяшийся электрод, и порция
жидкого шлака возвращается в котел. Производительность на-
плавочной установки в смену составляет 40-60 зубьев роторных
экскаваторов массой каждого слоя от 7 до II кг. Работа
Описанный выше способ наплавки зубьев ковшей роторных
экскаваторов показал, что их износостойкость при эксплуатации
в 13 раз выше, чем у отливавшихся ранее из высокомарганце-
вистой стали (Г 13Л). Производство наплавленных зубьев
позволило сократить потребность в них на горно-обогатительных
предприятиях в среднем в 10 раз. В отличие от литых зубьев
наплавленные зубья, благодаря оригинальной структуре их
пстрия, изготовленного из сплава с богатым содержанием хрома,
потребление энергии
снижается.
Модификация электрошлаковой наплавки ленточным электро-
дом. В зоне между двумя параллельными лентами, подключен-
ными к одному полюсу источника тока, образуется шлаковая
ванна. Проходящий ток нагревает шлак до т-ры 2000’С и более.
Теплопередача от шлака чрезвычайно интенсивно переносится
на ленточный электрод, вследствие чего последний в 2 раза
быстрее расплавляется, чем при обычной наплавке под флюсом.
При наплавке ленточным электродом шириной 60 мм достигается
производительность 50 кг/с (машинное время). Расплавленный
металл электродов наплавляется на заготовку в форме маленьких
капель. Расплавленный шлак растворяет окислы и нагревает
очень незначительная глубина проплавления (т.к. нет давления
дуги). Наплавку можно произвести также с большей скоростью.
гея слой толщиной 2-6 им.
Если потребуется большая толщина, то могут наплавляться
несколько слоев. Доля основного металла в первом наплавленном
слое составляет от 5 до 10%.
Для наплавки используется оборудование серийного произ-
водства с незначительной модернизацией.
ми электродами различного состава и сварочным флюсом разных
типов, оказалось, что качество наплавленного металла отвечает
механических свойств при различных температурах испытаний.
Новый метод уже применяется на многих предприятиях
энергетического и
для наплавки
заготовок под штамповку днищ, для наплавки фланцев, внут-
ренних поверхностей обечаек и т.д.
Кроме электрошлаковой наплавки начинает применяться
плазменно-злектрошлаковая. Данный способ позволяет обеспе-
чить большую стабильность и исключает загрязнение металла
наплавки продуктами разложения электрода в шлаковой ванне.
Для наплавки в плазматроне сначала зажигают дежурную дугу
(15 А, 40 В, расход аргона 1,3 м/сек), а затем основную
плазменную струю между наплавляемой поверхностью и элект-
родом плазматрона. В зону действия плазменной струн подается
флюс, содержащий элементы с низким потенциалом ионизации
(калий, натрий, барий и др.), по мере плавления которого
образовывается шлаковая ванна; пары же элементов с низким
ость горению плазмсн-
ной струи за счет снижения электрического сопротивления между
поверхностью шлаковой ванны и плазматроном.
При достаточном прогреве стальной пластины в шлаковую
ванну подают медную присадочную проволоку диаметром 3 мм с
одновременным перемещением плазматрона и формирующего
устройства. Это позволяет получать наплавку толщиной 2-3 мм
без оплавления стальной основы шириной 15-20 мм за одни
проход.
Плазменно-электрошлаковый способ наплавки меди на сталь,
позволяющий получать наплавленный металл высокой чистоты
без внутренних и наружных дефектов, достаточную прочность
сцепления и необходимую толщину наплавленного слоя, можно
применять для исправления дефектов литья, наплавок поверхно-
стей режущего инструмента и других работ.
Для создания качественного наплавленного слоя необходимо
определить граничные значения тепловой мощности шлаковой
Технологический процесс электрошаковой наплавки износо-
стойкими сплавами плоских, цилиндрических и конических
поверхностей рекомендуется в соответствии с данными таблицы
2.41.
Зависимость качества наплавленного слоя от тепловой мощно-
сти шлаковой ванны представлена в таблице 2.42.
Таблица 2.41
Режимы электрошлаковой наплавки некоторых
износостойких сплавов
(юрогаожЛ промюжей
проволока на - иг ri электродных проволоки и заготовки 2
М’р^одного Соответствует химическому составу наплавляемого
Села сварочного 100-600 на один Й^ОЛЛ?” 200-280 на один электрод
п|>“ 36-45 30-36 32-34
3<И5 Не менее 30 30-45
Вылет, мм 60-80 40-50
Таблица 2.42
Эммезгги режхш ЭП1КН Тсшома ?“,Л‘
600 40 4,8 Неполное смачивание зерен, дефекты (поры) в переходной зоне
800 40 То хе
1000 40- 8.4 Полное смачивание зерен, дефектов нет, переходная эона 10-15 мкм
1200 42 10,0 Ширина переходной эоны 15-25 мкм
1600 42 13,4 Ширина переходной эоны 20-30 мкм
2000 42 16,8 Ширина переходной эоны 30-40 мкм
ЭГ.7МЦ0Ф ОП Т1ХК(ОДЗЧ1««> НЛа.ь пь.1
60-80
25-30
25-35
Вылет электрода, мм
Зазор между кромками, мм
Скорость поперечных колебаний, м/с
В^емя выдержки у ползунов, с
Минимальное расстояние между
электродом и ползуном, мм 4-7
Расстояние между электродами выбирают по формуле
расстояние между электродами в мм;
“недокрыш” электродов, мм;
минимальное расстояние между электродом н ползуном
При наплавке с возвратно-поступательным движением Элек-}
трода расстояние между электродами берут равным 100-150 мм,
без возвратно-поступательного движения - 50-60 мм.
Производительность процесса наплавки определяется скоро--
стью подачи электродной проволоки. Рекомендуется брать ско-
рость подачи проволоки в пределах 100-400 0,278 • 10’6м/с; при.
V„> 430+ 450 0,278 10*6 м/с
зационных трешин. С увеличением V, подачи проволоки (больше
400 0,278 • 10’6 м/с) понижается устойчивость электрошлаковото •
процесса и ухудшаются условия кристаллизации; при наплавке.
с удлиненным вылетом электрода (до 200 мм) процесс устойчив
при 0,28 м/с. Скорость наплавки определяют по формуле
8 - толщина металла, мм.
Скорость наплавки при свободном формировании шва явля-
втся независимым параметром режима. Между Уи> VB. F,, FM
существует соотношение
скорость подачи электрода, м/с, х 0,278 • 10"*;
диаметр электрода, мм;
Сварочный ток и рабочее напряжение определяется главным
падачи проволоки и проводимостью шлаковой ванны. В качестве
источника питания рекомендуется использовать трансформато-
ры с жесткой характеристикой для большей устойчивости
процесса. Напряжение должно регулироваться в пределах 35-55
Необходимая электрическая мощность приближенно может
быть рассчитана при помощи уравнения теплового баланса
Шлаковой вашш.
Q = 0.24£vi=q>VwF( + ЧфУфРфУ+ <£ипш8+ Q„.+ q8b,
Где Q - количество тепла, выделенного в шлаковой ванне, при
прохождении сварочного тока;
2Л; " сумма произведений напряжения и тока между
изделием и электродами;
q - теплосодержание расплавленного металла (- 1360
Дж/г);
VM - удельный вес наплавленного металла, г/см3;
F„ - площадь поперечного сечения расплавленной части шва,
V - скорость наплавки, см/с;
- теплосодержание расплавленного флюса (- 1880 Дж/г);
Уф - удельная масса флюса (- 3,5 г/см3);
боковую поверхность шлаковой ванны в основной
металл (для распространенных режимов наплавки
- 120 Дж/см3 • с);
4Я«
, см (при оптимальных режимах
Q„ - количество теплоты, расходуемой на нагрев воды
(- 2400 Дж/с):
q - удельный поток теплоотдачи с поверхности шлаковой
ванны <24 Дж/смг • с);
Ь - ширина зазора, см.
Режимы электрошлакооой наплавки приведены в таблицах
2.43-2.45.
В таблице 2.46 указано влияние каждого из элементов режима
наплавки на параметры шва, исходя из условия постоянства
остальных характеристик режима.
Таблица 2.44
Режимы электрошлаковой наплавки пластинчатым
электродом под флюсом
»ж»трв*а.
100 1000-1200 28-30 1 10x90 0.5 28-30
200 1000-1200 28-30 2 10x90 ол 29-31
300 1500-1800 30-32 2 10*135 0.45 30-31
Примечание. Скорость подачи электрода 1.6 м/с, к 0.27» 10"*
мундштуком
В настоящее время широко используется злектродугова£
наплавка ленточным электродом под флюсом. Она находи
применение в энергомашиностроении для защиты от коррозий
реакторов, труб и различных резервуаров атомных злектростшм]
ций.
В качестве рабочей среды здесь служит вода с незначитель-
ными добавками и водородным показателем (pH) от 6,5 до 7,0,
Достаточно высокую коррозионную стойкость при температурах
ДО 350-С имеет коррозионностойкая хромоникелевая сталь. 1
Необходимый химический состав наплавленного металла
достигается путем наплавки в два слоя. Первый слой наплавляется
N1, при этом доля основного металла составляет от 20 до 25%. I
Наплавка второго слоя осуществляется ленточными электродами,
содержащими 19% Сги 10% N1.
Наплавленный металл в целях предотвращения горячих
трещин должен содержать минимум 2% феррита Однако
не должно превышать 8% в
звякающего при наступлении
максимальное содер:
При изготовлении сварочных резервуаров из толстостенных
поковок с целые снятия напряжений отпуск следует производить
непременно при т-ре 610-660'С в течение 50 ч. Более длительный
нагрев при более высоком температурном режиме может привести
к осаждению карбидов хрома на грашшах зерен, что вызовет
межкристаллитную коррозию. Во избежание этого следует сде-
лать содержание углерода менее 0,3% и тем самым сдвинуть
кривую Ролазона далеко вправо или соединить углерод, например,
с Nb, Ti или Zr в твердые карбиды. Обычно используют добавку |
Nb с соотношением Nb/C-10. Если же Nb/C“15, то следует
углерода.
Ниобий селективно окисляется расплавленным шлаком, т.к. он
обладает большим хим. сродством к кислороду, чем железо и
хром. Образу юшийся N в О имеет такие параметры кристалличе-
ской решетки, что образует промежуточный слой на границе
шлака и металла, подобно ТЮ и VO.
Рост данного слоя металл-основа обусловливает прочную
: шлаковой корки
коррозию шлака и метал
удал
чений в наплавленном слое. Поэтому целесообразно использовать
ленточный электрод с незначительным содержанием углерода. В
США
ей лситочиый электрод тип
309Lc содержанием углерода менее, чем 0,025%.
применение как в энергетическом, так я в химическом машино-
ленту размером 60х(),5 мм, обеспечивающую безупречное фор-
мообразование наплавленного слоя. Производительность наплав-
ки при этом составляет от 10 до 15 кг/с. Чтобы повысить данную
производительность,
электродом была зам
г электродом.
Отмечено, что благодаря наплавке ленточным электродом
производственный цикл можно сократить на 2/3, а количество
можно уменьшить на 65%.
Особенно эффективной является наплавка ленточным элект-
родом при изготовлении теплообменников. Использование лен-
точных электродов вместо традиционной трехэлектродной на-
плавки позволяло сократить продолжительность наплавки на
25%, а качество повысить.
тонкой ленты из высокоуглеродистой инструментальной стали.
Превосходной заменой таких лент могут служить спеченные
(оплавленные) ленточные электроды, полученные из смеси
следующего за ней
защитой газом. Таким образом можно получить ленточный
электрод с содержанием 0,025% С; 22,5% Cr: 11.5% Nt: 16% Мп
и 0,5% Si,пригодны как для наплавки в два слоя электродуговым
способом, так и в один слой электрошлаковым способом.
хорошо использоваться в качестве электрода при наплавке
износостойкого металла, если должен быть наплавлен широкий
слой легированной стали.
Чаще всего в промышленности применяется спеченный лен-
точный электрод, который служит для наплавки стали с
содержанием 0.7%; 0,8% Мп; 0,9% Si; 3% Сг; 0.6% Мо и 0,7%
Вместе с пемзообразным сварочным флюсом АН-60 данная
лента успешно используется при наплавке в массовом производ-
стве, например, пружинных опор грузовых автомобилей, отвалов
бульдозеров, отстойников самоходных колесных скреперов и тщ.
Наплавка порошковой лентой позволяет применять сварочный
ток до 155 А без ухудшения процесса наплавки и формирования
наплавленного слоя. При этом производительность процесса
наплавки увеличивается на 25-40%.
8. Электродуговая наплавка самозащитной порошковой
проволокой
Порошковая проволока первоначально была предназначена
для легирования наплавленного металла при сварке под флюсом,
тю вскоре стало ясно, что она может использоваться также для
раскисления и внесения газообразующих материалов, препятст-
вующих возникновению пор. Дальнейшая разработка показала,
что достаточны лишь незначительные примеси шлакообразующих
добавок, чтобы получить электрод, пригодный для сварки и
иую электродную проволоку.
Наплавка самозащитной проволокой эффективна в армату-
ростроении, например, при изготовлении трубной арматуры
диаметром от 40 мм до 150 мм, использующейся при давлениях
до 10 МПа и при температурах до 400*С. При этих условиях
наиболее подходящими явились коррозионностойкие хромовые
плавки была разработана самозащитная порошковая просом
ПП-Нп-10Х14Т. Состав наплавленного металла - 0,12% С| 0,
Si; 0.6% Мп; 1,4 Ст; 0.15% Ti. Твердость составляет нспосрсдв
венно после наплавки 43,5-49 ИКС, . Наплавленные нагого
подвергаются при т-ре 860-870‘С отжигу, а после механичоей
обработки - закалке.
Наплавка золотников с номинальным внутренним дпамстрй
от 40 до 100 мм осуществляется на специальной трехместм
(трехпозиционной машине У-310, разработанной в Инстит
электросварки им. В.О. Патона),
плавно в три слоя заваркой кратера.
осущсст
Наплавочный цикл автоматизирован. Для получения высот»
водоохладжаемые формируемые медные устройства.
Для наплавки клиньев с условным проходом 100 мм и
Наплавка ленточным электродом
В зависимости от вида изделия ширина ленты находится В
пределах от 30 мм до 100 мм.
Для наплавки простых деталей применяются серийный
наплавочныеаппараты, а для закрепления и поворота изделия *
манипуляторы с пневматическими захватами. Транспортиропкй
также механизирована (с помощью рольгангов), что обеспечивает
минимальное вспомогательное время.
Наплавка сложных деталей, например, подрессорных опор :
грузовых автомобилей, осуществляется на специальных устаной»
емой детали, а также подачу ленточного электрода.
Рабочая поверхность опоры цилиндрическая с радусом 227
мм. Наплавка осуществляется ленточным электродом шириной
85 мм по следующему режиму: ток от 900 до 950 Л, напряжения ।
от 28 до 30 В; скорость 8,6 0,278 10'4 м/с. Доля основного |
металла при этом составляет максимально 20%. Продолжитель-
ность наплавки одной заготовки составляет 55 с. Общая
производительность наплавочной установки ИД 169 на двух
Данный метод полностью оправдал себя в крупносерийном
производстве. Например, на КАМАЗе в 1986 году было
наплавлено свыше 300 тысяч пружинных опор для грузовых
автомобилей. Толщина наплавленного слоя составляет 3 мм,
твердость маним. 53,5 HRC,, что обеспечивает средний ресурс
пробега 350 тыс. км, т.е. в 3 раза больше, чем у термически
улучшенных заготовок из стали 45. Сталь с содержанием 0,2 %
Ci 10% Ст: 0.7% Si: 10% Мп и 0,3% Ti. которая упрочняется при
наклепе, может наплавляться под флюсом спеченной лентой
ЛС-20СХ10Г10Т.
И- Наплавленный таким образом слой особенно хорошо проти-
востоит эрозиошюму воздействию кавитации, напрнмер. на
рабочей поверхности плунжеров па гидравлическом прессе.
। нагревом от 150 до 200‘С. Твердость
составляет непосредственно после на-
I 220-240 НВ, а после наклепа 450-520 НВ. В эксплуатации
ленные плунжеры проявляют высокую работоспособность
Г Наплавка спеченной лентой невозможна, если должен быть
наплавлен высокоуглеродистый сплав с максимальной нзносо-
стойкостью. В тяжелом машиностроении, например, при изго-
товлении загрузочных приспособлений для доменных печей такая
наплавка необходима. Хорошие результаты получены при на-
плавке порошковыми ленточными элекродами.
L Конструкция ленточного электрода была постепенно усовер-
шенствована. В настоящее время изготовляются главным образом
флюсо-ременные подушки (порошковые ленты) с поперечным
сечением 20 мм » 4 мм. Масса наполняющей ленточный электрод
позволт включить в ее состав как .тегированные, так и
шлакообразующие материалы. Одновременно существует воз-
можность наплавки открытой электрической дугой при помощи
самозащнтного порошкового ленточного электрода. Необходимая
ширина наплавленного слоя достигается путем поперечного
маятникового движения электрода или посредством наплавки
печей (конус и воронка) осуществляется на заводах тяжелого
машиностроения па специальных установках с манипуляторами
(грузоподъемность 50-75 ТС).
Поскольку наплавленные заготовки довольно-таки громоздкие
(большой конус современной доменной печи весит от 15 до 20 т),
от предварительного нагрева отказываются.
Для уплотнительных поверхностей затвора рекомендуется
ленточный электрод с никелевым покрытием ПН-АН 111,
наплавленный слой содержит 5-6% С; 30-35% Сг, 30-35%№ 2%
I при ВЫСОКИХ '
турах.
Для рабочих поверхностей используют наплаатенный и
с содержапием 0,8% С: 20%Сг: 3%В; 0.7%Tiи твердостью
HRC,. Склонность к образованию трещин у таких ст
довольно велика, поэтому применяется специальная техис
наплавки. Заготовка устанавливается манипулятором таким
разом, что образующая конус плоскость находится в гор»
движением вдоль образующей конуса, при этом омяли
колебаний электрода составляет до 400 мм. Когда ленто’
электрод занимает одну из своих конечных позиций, манипулт
поворачивает заготовку со смещением в боковую сторопу
10-15 мм. После полного поворота заготовки сварочный аппв|
перемещается по ширине наплавленной полосы, и начинав
наплавка новой полосы. Общая масса металла, наплавляемая
заготовку, составляет свыше 1000 кг.
Применение наплавки удлинило срок службы устройства л
загрузки колошника вдвое, что исключает изготовление ком
никевых затворов без упрочняющей наплавки. По описанн
технологии наплавляются элементы затвора множества доменных
абразивности колошниковой пылью.
За рубежом используют наплавку под флюсом холодно
0,27% С: 6,6%Cr: 1 б%Мо; Твердость составляет 47,1
ИКС,.
Наплавку под флюсом порошковым ленточным электро
используют для угиют>штельных поверхностей задвижек больших
размеров с номинальными внутренними диаметрами 700 мм, 1000
мм и 1200 мм, применяющихся в водопроводах, нефтепроводах,
газопроводах и т.д. при температурах от 40 до 50*С и давлении
до 6,4 МПа.
Применяемая ранее наплавка ручным способом недавно была
вытеснена механической наплавкой порошковым ленточным элек-
тродом. Раньше канавка (паз) шириной 70 мм и глубиной 10
мм сваривалась (заваривалась) штучными (кусковыми) электро-
дами с предварительным нагревом во избежание возможных
трещин. В общей сложности, процесс наплавки седла (гнезда)
для задвижки с ио>
1000 мм
длится порядка 3-х часов. При наплавке ленточным электродом
ПА-АН 150 сварку канавки
производить. Необходимый с
> металла состав-
ляет максим. 0,12% С: 16-19% Cr75%-10%Ni: 5-5.9% Ni: 1-2%Мп:
М-03% Ti и сохраняется во втором слое. Твердость наплавлен-
ного металла составляет от 29 до 36 HRC,. при этом он обладает
стойкостью к эрозии, коррозии в образованию заусенца.
Наплавка под флюсом порошком АН-26Р осуществляется под
Воздействием тока от 700 до 750 А, напряжения от 34 до 38 В
и скорости движения дуги от 18 до 25 10-4 • 0,278 м/с.
, Отпуск для снятия напряжений осуществляется при т-ре
500’С. Производственные затраты благодаря применению новой
^.технологии могут быть уменьшены в 8-10 раз,
Йсплуатапион нос качество и надежность арматуры значительно
, Электродуговую наплавку под флюсом коррозионностойкой
стали ленточным электродом целесообразно применять как в
Неритическом, так и химическом машшюстроении. В большни-
•змером 60*0,5 мм, обеспечивающую безупречное формообра-
довапне наплавленного слоя. Производительность наплавки при
£IСпеченную ленту толщиной от 0,8 мм до 1,0 мм следует
использовать в качестве электрода при наплавке износостойкого
‘Металла, если должен быть наплавлен широкий слой легированной
Стали. В зависимости от вида изделия ширина ленты должна
Находиться в пределах от 30 до 100 им.
Для наплавки простых деталей следует применять серийные
Наплавочные аппараты, а для закрепления и поворота изделия
- манипуляторы с пневматическими захватами. Транспортировка
должна быть механизирована (с помощью рольгангов), что
L Наплавка деталей, например, пружинных опор грузовых
[автомобилей, должна осуществляться на специальных установ-
ках, обеспечивающих автоматическую регулировку обрабатыва-
емой детали, а также подвод ленточного электрода.
I Наплавка должна осуществляться ленточным электродом
шириной 85 мм по следующему режиму.
[ Сила тока, А
напряжение. В
скорость, м/с
900-950
28-30
8,6 0,278 IO4
I Даля основного металла в массиве наплавочного шва не
должна превышать 20%. Продолжительность наплавки одной
заготовки должна составлять 55 с. Наплавку под флюсом
Порошковым Ленточным электродом следует применять для
частей задвижек больших размеров с
мм, применяющихся
700 мм, 1000 мм и 1200
Наплавка под флюсом порошком АН-26Р должна осуществ-
ляться под воздействием тока силой 700-750 А. напряжением
34-38 В и скоростью движения дуги 18-25 0,278 • КГ* м/с.
твляться при температуре 500*С. Индукционная наплавка порот*
дательном и центробежном формировании слоя. В первом случи
форма поверхности наплавки определяется действием сил грави-
тации, поверхностного натяжения н смачивания. В определенных
поле индуктора. Принудительное формирование следует исполь-
зовать для наплавки слоев большой толщины или деталей
специальной формы. В качестве формирующих устройств реко-
мендуется использовать огнеупорные материалы.
Пример. На рабочую поверхность барабана площадью 7,8 м*
было наплавлено без предварительного и сопутствующего подо-
грева четыре слоя стали типа 20X13 суммарной толщиной 9-12
мм. Общая масса наплавленного металла 652 кг.
Измерение стрелы прогиба по образующей поверхности
превышает 1,5-2 мм. Твердость наплавленного металла в
исходном состоянии, измеренная в различных точках рабочей
После чернового точения, шлифовки и последующей полиров-
рабочей поверхности формующего барабана каких-либо
Длительная эксплуатация фор»
поверхностью, наплавленной сталью 20X13, показала его высо-
кую работоспособность. Межремонтный срок службы таких
барабанов в 15-18 раз больше, чем серийных с рабочей
поверхностью из стали 12Х18Н9Т.
Технология автоматической наплавки электродной лентой иЯ
стали 20X13 под флюсом 48-ОФ-Ю крупногабаритных тонко-
стенных фор)
нов освоена Ленинградским заводом
Пример. Механизированная износостойкая наплавка спечен-
ной электродной лентой ножей дорожно-строительных машин
внедрена на заводе “Дормаш”. Создан специализированный
участок, оборудованный плавильным, транспортирующим и на-
плавочным оборудованием. Пять установок на базе аппаратов'
1350-1450 A; U - 30-32 В; V, -29-31 х 0,278 10 ‘м/с;
:нты - 40-45 м. Ток постоянный, полярность обратная,
ишая технология обеспечивает требуемое качество на-
юго слоя. Производительность наплавки - до 30 кг
> от окалины,
реждению термических трещин.
Наплавляемые поверхности н<
Наплавка производится в специ
Колебательные движения элскч
кой в крайних положениях на в
мощения электрода на один шаг.
совмещаются с останов-
, необходимое для пере-
Ограничение длины наплавки осуществляется с помощью
конечных выключателей и упоров. Упор одного из выключателей,
ограничивающий длину наплавляемого слоя со стороны торца
била, неподвижный, а упор второго после наплавки каждого слоя
ления со стороны разделки под наплавку. Длительность процесса
наплавки задается с помощью импульсного реле, интегрированное
выключает процесс наплавки.
Режим наплавки следующий: величина тока, А напряжение дуги,В скорость колебательного движения электрода, м/ч скорость перемещения аппарата на шаг, м/ч 900-1000 30-32 45-50 50-60 12-14
В Наплавка производится порошковой лентой ПЛ-АН101 на
при этом 1,5 кг сплава типа ЗООХ25СЗН2Г.
Наплавка порошковой лсвтой позволяет применять сварочный
ток до 1500 А без ухудшения процесса наплавки и формирования
(вплавленного слоя. При этом производительность процесса
наплавки увеличивается на 25-40%.
К Наплавка самозащитной проволокой очень эффектно прояви-
НВготовлснии тепловых трубопроводов диаметром 40-150 мм,
Иксплуатнруемых при давлениях энергопередающей среды до 10
МПа и при температурах до 400'С. При этих условиях наиболее
Подходящими явились нержавеющие хромовые стали.
t Институтом электросварки (ИЭС) имени Е.О. Патона для
' марки ПП-Нп-10Х14Т. Состав наплавленного металла типичный:
Ю.12% С: 0,40 Si; 0,6% Мп; 1.4% Сг; 0.15 Ti. Твердость составляет
Непосредственно после наплавки от 43,5 до 49 HRC,. Наплав-
ленные заготовки подвергаются при температуре 860-870'С
отжигу, а после механической обработки - закалке.
Наплавка залетников с но>
от 40 до 100 мм осуществляется на специальной трехместной
(трехпозициошюй) машине У-310, разработанной в Институте
электросварки им. Е.О. Патона. Наплавка осуществляется плавно
Наплавочный цикл автоматизировал. Для получения высоко-
го, узкого наплавочного валика па внешнем крае детали
предусмотрены водоохлаждаемые формируемые устройства.
Для наплавки клиньев разработана четырехпозиционная ма -
шина У-289. Наплавка осуществляется двухэлектродным свароч-
ным способом в общей ванне с подформовкой медным кольцом.
При этом происходит лишь проплавление основного металла и
обеспечивается минимальный припуск для механической обра-
На Георгиевском арматурном заводе, где применяются эти
наплавочные машины, было наплавлено свыше 5 млн. штук
арматуры с диаметром от 40 до 150 мм.
вырубные штампы. При их использовании на кромках очень
часто появляются зазубрины, вследствие чего возникает необхо-
димость производить ремонт сложною инструмента без термо-
обработки. Это является сложной задачей, т.к. должна быть
достигнута высокая твердость наплавленного слоя, лишенного
трещин при достаточной ударной вязкости. Успешное решения
составляет после поплавки 59-61 HRC,, ударная вязкость 24 3
Наплавка кромок вырубных штампов из стали 45 и 40 X ;
осуществляется без нагрева, в то время, как вырубные штамп!
зшх трещин.
Наплавленный участок (заготовка) может затем обрабатываем
твердосплавными инструментами, а также обрабатываться шл«
АН 140 показало на основании опыта производства прессов на
Волжском автомобильном заводе (ВАЗ), что их стойкое**
возросла в 2,5-4,4 раза по сравнению с наплавкой электродами
ЭН 60М вырубными штампами и в 4-8 раз по сравнению с
новыми вырубными штампами из стали У8 (0,8% С).
костью к абразивному износу и краскостойкостью (состав
наплавленного металла: 5,5% С: 7% Мо; 22% Сг, 7% Nb; 2% W.
износостойкость в сравнении с (конструк:
С: 0.5% Si: 1,3% Мп) составляет при абр;
при газоабразивном износе 4,9. Напл
множество продольных и поперечных вол<
сталью <0,6%
Наплавка самозащитной проволокой А-45-О нспользус
металлургическом машиностроении Чехии для упрочнения а
агломерационных фабриках, подвергающихся газоабразивному
Пример. Применяется также наплавка штампов порошковой
проволокой марок ПП-НП-30Х5Г2СМ, ПП-Нп-2(ЮХ12М. 1111-
КИИ74, ПП-ОХ 6Н8М7С (см. таблицу 249).
При вырубке деталей из стали 40Х толщиной 9 мм стойкость
штампов, наплавленных мартенснтно-стареюшей сталью
ОХ6Н8М7С, повысилась более чем в 2-3 раза (таблица 2.50).
Режим наплавки-.
200-220
сталь 40х
стала 38ХС
ЙИМ^
Пример. Многозлектродная наплавка кресп____________
переводов осуществляется самозащитной проволокой ПП-П
90Г13Н4 диаметром 2,8 мм и специализированными полуа
матами типов А-765, А-1197 и др. Питание сварочным то*
осуществляется от источника с----* —-----“------
напряжение дуги,
полярность _____
Производительность наплавки составляет 3,5-4 кг/ч. Опта*
мольный состав наплавленного металла: 0,85% С; 14% Мп; 3,5%
Ni; 0,2% Si. Твердость металла после наплавки 180-200 НВ,
после наклепа - до 400 НВ.
Длина слоев, наплавленных за один проход, до 150 мм, высота
каждого слоя.
Машинное время однослойной наплавки двух усовиков и
сердечника крестовины составляют около 15 мин. При наплавке
крестовин со значительным износом применяется многослойная
наплавка. Оптимальный состав наплавленного металла 0,8% С;
25% Ст; 14% Мп; 2,5% Ni; 1% Ti.
Получение наплавленного металла указанного химического
состава осуществлялось применением электродной проволоки
ЭИ-711 (Х14Г14НЗТ) и введением необходимых элементов (С,
in, N1) в порошкообразном состоянии в зону горения дуги,
явка проводилась под флюсом АН-22, АН-60. АН-28 и др.
ПП-АН155 0 2,6 мм.
ение дуги, В
330-350
26-27
15-18
гь вращения изделия,
постоянный
арность обратная
Применяется наклон оси образца около 10*.
Механические свойства наплавленного металла и металла шва
Разработаны наплавочные материалы, позволяющие повысить
Костой кость деталей, работающих в различных условиях
ния (таблица 252).
Некоторые характеристики износостойких
3.3. Специальные методы наплавки
1. Наплавка i
Идея пропитки была использована в Институте электросварки
О. Патона при разработке нового способа изготовления
к их изделий с образованием износостойкого компо-
сплава. На деталь надевается форма, охватывающая
|ую поверхность с зазором, равным требуемой толщине
юго слоя. В зазор насыпается и затем уплотняется
--------> карбида вольфрама или отходов металлокерами-
их твердых сплавов. Над крупкой укладываются куски
связки, который обладает сравнительно низкой темлера-
й плавления и способен хорошо смачивать при расплавлении
гве такого сплава используется, например, марганцевый
иор. Затем устанавливается крышка. Форма и крышка
риваются к детали швом, а заготовка загружается в печь
турой, несколько превышающей температуру плавления
-связки. Выдержка в печи должна быть достаточной для
верного прогрева всей заготовки. После охлаждения заго-
и форму удаляют механической обработкой-, при нсобходи-
наплавленмый слой шлифуют.
Печную наплавку композиционных сплавов пропиткой при-
меняют при изготовлении клапанов, воронок, конусов и чаш
загрузочных устройств доменных печей, корпусов рсзнносмеси-
2. Наплавка взрывом
м Процесс заключается в следующем. На жесткое основание
устанавливают изделие. Над ним располагают пластину приса-
дочного металла, поверх которой укладывают заряд гранулиро-
мстся основной заряд и возникает плоская детонационная волна.
Взрыв вызывает соударение пластины присадочного металла с
поверхностью изделия, и на поверхности контакта возникает
давление в десятки тысяч атмосфер. Появляется касательная
I пластически. Оксидные пленки дробятся. При подборе режима
пл плавки взрывом варьируют расстоянием от изделия до пласти-
ны присадочного металла. Необходимое расстояние обеспечивают
с помощью проволочных штырей.
При наплавке взрывом процесс образования соединения
основного и присадочного металлов происходит с очень большими
скоростями. При этом перем шнвание основного и присадочного
металла отсутствует. Отсутствие диффузионных слоев в ряде
случаев может рассматриваться как преимущество способа.
Сварка взрывом начинает все чаше применяться при изго-
Прнменяется плакирование взрывом лопастей радиально-осе-
вых турбин. На каждой лопасти плакируется участок площадью
5,5 м1, с толщиной защитного листового металла 3 мм. Детали
толщиной более 450 мм могут также успешно плакироваться
взрывом, при этом толщина защитного стоя составляет 6 мм.
Разработана технология получения биметалла: сталь 45 +
Х6Ф1, а впоследствии - сталь 65 Г + Х6Ф1. которая предусмат-
ривает соединение составляющих сваркой взрывом н после-
дующую горячую прокатку в лист толщиной 6-12 мм.
На Кузнецком метал
ате прокатывают
биметаллический лист (сталь 45 + Х6Ф1), механические
свойства которого привезены в таблице 3.1. На заводе “Цели-
иоградсельмаш" из него изготавливают лемехи культиватора-
плоскореза КПШ-9 и на Каменец-Подольском заводе сельскохо-
зяйственных машин зубья борон БЗТС-1.
Таблица 3.1
тгалла: сталь 45 + Х6Ф1
Меха
тным материалом с помощью энергии взрыва, позволяющее
варьировать химический состав плакирующего слоя. Установлена
возможность получения биметалла с плакирующим слоем из
472
in его на металлической основе, герметизации с помощью энергии
нарыва и последующей горячей прокатки.
3. Вакуумно-дуговая наплавка
К Способ обеспечивает резкое пое
I Наплавленный слой получается плотный, без пор, раковин,
трещин и шлаковых включений.
К Особенно эффективен этот способ для наплавки клапанов
В соответствии с разработанной для данной установки
Технологией, клапаны для наплавки помещаются в специальную
формирующую подкладку, а сверху на наплавленной поверхности
помещают стеллитовые присадочные кольца (что вполне оправ-
дано при массовой технологии и малом количестве типо-размеров
Клапанов), что позволяет отказаться от весьма трудоемкой
операции - подачи присадочного металла в виде штучных
Прутков
Присадочные кольца достаточно просто изготавливаются
литьем в форму.
После герметизации система “клапан-подкладка-кольцо"
предварительно подогревается до т-ры 1000-1050'С при помощи
Подогрева проходящим током (наиболее простой вариант),
трансформатор контактной стыковкой машины мощностью 25
Подогретый клапан подается поворотом стала на следующую
позицию, где он начинает вращаться вокруг своей оси, и в
результате дугового разряда в вакууме с испаряющегося электрода
ленный слой требуемой формы.
службы по сравнению с клапанами, наплавляемыми траднцион-
Кроме того, разработанная новая технология с использованием
в качестве присадочного материала литых присадочных колец
позволила снизить на 20% стоимость присадочного материала
(по сравнению со стержневыми прутками), при этом уменьшается
иэготавливают миллионы) н снижается количество бракованных
клапанов на 3-5%, что в совокупности обеспечивает значитель-
ный экономический эффект.
4. Наплавка ТВЧ (индукционная наплавка)
НИИТмом (Ростов-на-Дону) разработана и широко внедрена
роизводство промышленная технология индукционной напме-
к« износостойких спя
высокой частоты. Шихта состоит из гранулированного твердого
сплава и боросодержащих флюсов. Шихту слоем задапппй
толщины наносят на упрочняемый участок детали и помешают
его в поле индуктора высокочастотной установки. Индукционный!
токи возникают в поверхностном слое детали, в результата
металла до высокой температуры; мелкие частицы порошкового
твердого сплава, покрытые оксидными пленками и изолированные
прослойкой флюса, имеют низкую электропроводность и непос-
редственному тепловому воздействию электромагнитного поля
счет теплопередачи от основного металла, температура которою'
должна быть на 50-70’С выше температуры плавления твердого''
сплава, а скорость подвода тепла к нагреваемой поверхности '
изделия и в окружающую среду. Поэтому температура плавлений .
материалов, применяемых при индукционной наплавке, должна .
быть ниже температуры плавления основного металла. К изно-
состойким материалам, удовлетворяющим этому условию, отно-
сятся литые твердые сплавы легированных чугунов и сплавов на
основе никеля и кобальта. Последние находят применение для
наплавки некоторых особо ответственных деталей. Наряду с
известными сплавами институтом была разработана груши
псеадосплавов, имеющих повышенную износостойкость (ПС-15- ;
30, ПС-14-60, ПС-
псевдосплавов обусловлена наличием в наплавленном слое не-
расплавившихся частиц тугоплавкого компонента (феррохрома,
плогвость вещества, оседают на дно жидкой ванны и снижают
прочность сплавления за счет
фаз. Псевдо-
сплавы нашли широкое применение для упрочнении
получила при упрочнении плоских деталей, се используют также
для нанесения износостойких материалов па внешние и внутреи-
при свободном, принудительном и центробежном
В первом случае форма поверхности наплавки определяется
действием сил гравитации, поверхностного натяжения, смачива-
ния. В определенных условиях существенное влияние может
оказать электромагнитное поле индуктора.
I Принудительное формирование используют для наплавки
слоев большой толщины или деталей специальной формы. В
качестве формирующих устройств используют огнеупорные ма-
териалы.
Формирование слоя при наплавке наружных цилиндрических
Поверхностей во время их вращения осуществляется благодаря
‘Перераспределению сил тяжести, возникающего в результате
воздействия поля индуктора на расплавляемый металл. Центре-
твердыми сплавами типа релит. В качестве источника токов
высокой частоты применяют ламповые генераторы, предназна-
ченные для поверхностной закалки, типа Л Г-60, ЛГЗ-67, мощно-
стью 60 кВт, и другие, более мощные. При оснащении шарошек
долот твердый сплав в виде гранулированного материала,
предварительно смешанного с флюсом, равномерным слоем
наносят на наплавляемую поверхность. В качестве флюса
применяют борную кислоту, вес флика составляет 3-9% от всего
веса шихты. Слой твердого сплава достигает толщины 4 мм. Для
нагрева применяют индукторы, изготовленные из медных трубок.
При включении генератора за счет индуктирования наведенное
ваемую поверхность детали до '
при этом
дшювремешю плавится и флюс. Нерасплавленные зерна твердого
сплава вследствие большего удельного веса погружаются в
поверхности детали. Токи высокой частоты используют также
для выполнения автоматической наплавки твердых сплавов на
200-300 кГц.
в виде плоской спирали при
а мощностью 60 кВт, частотой
Применение нндукциоиной наплавки позволяет существенно
повысить износостойкость деталей без снижения прочных свойств
основного металла. Упрочнение режущих органов при опреде-
оптимального профиля детали, а также расположении наплавки
н характеристике износостойкости основного и наплавленного
металлов обеспечивает эффект самозатачивания наплавленной
режущей кромки в процессе эксплуатация. Дальнейшее развитие
исследований по изысканию новых наплавочных сплавов, совер*
зацни процесса наплавки позволяет расширить номенклатуру
упрочняемых деталей, снизить затраты в процессе производства.
Метод наплавки токами высокой частоты имеет существенные
преимущества в сравнении с другими методами наплавки:
I) чрезвычайно малая глубина проплавления основного
2) возможность наплавки без полного расплавления твердого
3) большая производительность процесса;
4) обеспечение стабильности эксплуатационных свойств.
относительная толщина доэвтектической зоны, которая имеет
пониженную износостойкость в сравнении с эвтектической и
особенно заэвтсхтической зонами.
При индукционной наплавке износостойких сплавов без
регулирования температуры с увел
ередержки
(отношение времени пребывания металла в расплавленном
состоянии при включенном нагреве к полному времени нагрева)
слоя растут.
При степени передержки выше 20% происходит значительный
рост толщины доэвтектической зоны, которая может достигнуть
В институте электросварки нм. Е.О. Патона разработана
технология изготовления биметаллических изделии наплавкой
заключается в подаче определенной порция жидкого присадочного
сплава одновременно на всю наплавляемую поверхность, предва-
рительно нагретую и очищенную от оксидных пленок жидким
флюсом. Жидкий сплав смачивает поверхность заготовки, но не
оплавляет ее, а затем создаются условия для кристаллизации
присадочного сплава одновременно по всей наплавляемой повер-
хности детали. Способ наплавки “намораживанием" из расплава
весьма эффективен для изготовления биметаллических клапанов
двигателей внутреннего сгорания и других деталей.
Для повышения срока службы дизельных клапанов применяют
газовую наплавку по фаске клапанов газовыми горелками. В
масштабе страны ежегодно изготовляют миллионы дизельных
клапанов. Применение для столь массовой детали ручной
ацетнлено-кислородной наплавки связано с большими трудозат-
Для наплавки намораживанием дизельных клапанов был
едложеи сплавмаркнЭП616. Способ наплавки намораживанием
еспечиваст небольшие припуски на обработку. Качество по-
ом в процессе наплавки позволяют уменьшить припуски на
ческой напл.
ытным заводом института электросварки им.Е.О. Патона
выпущена партия установок типа ОБ-936 для автомата-
ия. Производи-
сть установки ОБ-936 с источником питания мощностью
составляет 120 клапанов в час. Как показали результаты
Пример. На Волжском автомобильном заводе и некоторых
других предприятиях при крупносерийном производстве выпуск-
Пых клапанов применяется автоматическая и индукционная
наплавка. Данный способ основывается на индукционном плав-
лении чугунного (литого) присадочного кольца с одновременным
. нагревом поверхности изделия. Формообразование верхней по-
верхности наплавленного валика происходит под воздействием
алектромагпит,,ых сил. Ориентированная кристаллизация
клапанной тарелки и
плавленный металл - сплав ЭП616А - содержит 0,9 % С; 23%
Si; 26% Сг; 1,5% В: 5 % Fe.остальное N1. Литые (чугунные) кольца
из данного сплава изготавливаются посредством литья в земляные
формы. В качестве защитного газа служит азот.
Наплавочные станки-автоматы ОВЮ99М оснащены приспо-
соблениями для сборки заготовки клапана с кольцом, а также
На Волжском автомобильном заводе 6 таких машин соединены
в единую комплексную автоматическую
I' производительностью 4,8 млн. клапанов (в.
й) в год.
удовлетворяет
На Волжском автозаводе наплавка выпускных клапанов ДВС
осуществляется
на автоматической
Сущность способа, разработанного в Институте электросварки
нм. Ё.О. Патона, заключается в использовании индукционного
заготовки клапана до температуры, обеспечивающей сварное
соединение заготовки со сплавом с последующей кристаллизацией
наплавленного слоя за счет одновременного воздействия нагрева
в охлаждения, с преобладанием последнего.
Для наплавки применялись кольца из сплава ЭП 616А
(НХ26С2Р2) на NPCr-B-SI-основе, получаемые способом литья в
земляные формы.
В качестве защитной среды зоны I и плавки от окисления на
первом этапе использовались такие порошкообразные флюсы, как
бура, борный ангидрид и их три смеси. Наплавка выполнялась
на полуавтоматических установках ОБ 1098М, разработанных,
изготовленных и поставленных ВАЗу Институтом электросварки
им.Е.0. Патона. При этом операции сборки клапана с кольцом,
флюсования их порошкообразным флюсом были ручными, а сама
наплавка - автоматической.
Опыт ВАЗа по наплавке клапанов на автоматической липин
находит распространение и на других заводах. Например,
автоматическая линия для наплавки клапанов дизелей на
Камском автозаводе.
Важнейшим преимуществом нового процесса и оборудования
для наплавки клапанов способом намораживания является воз-
никелевой основе, которые в 3-4 раза дешевле применяемых для
наплавки клапанов за рубежом кобальтовых стеллитов, а но
работоспособности, как показали многочисленные испытания и
Разработан способ индукционногоцентробежногоармирования
(наплавки) внутренних поверхностей гильз металлическим твер-
досплавным порошком и установка для его осуществления.
Деформацию гильз измеряли до в после наплавки.
В промышленности широко распространена индукционная
наплавка, т. е. наплавка специальной порошковой шихты на
ножей культиваторов. Шнхта состоит из гранулированного
порошка износостойкого сплава я сварочного флюса. Лемех с
дозированным слоем порошковой смеси помещается в специаль-
самозатачивание лезвий при их эксплуатации, должен быть
наплавлен определенной толщины износостойкий слой (например,
50 до 90 секунд. Для индукционной наплавки на предприятиях
сельскохозяйствен
поточные линии.
впых изделий. Общее количество ежегодно наплавляемых
лий составляет на предприятиях данной отрасли промыш-
роизводству культиваторов “Красный Аксай" свыше 10 или.,
заводе “Алтайсельмаш" порядка 10 млн. и та.
> Применение наплавки удлинило срок службы лемехов в
К Однако следует отметить, что индукционная наплавка с
Применением высокочастотного лампового генератора имеет так-
П недостатки. Предназначенное для данной наплавки обору-
гигиеническне условия труда неблагоприятные, полная
атнзацня затруднена. Насмотря на это, данный способ
|вки применяется для упрочнения 73 видов деталей машин,
означенных для обработки почвы.
При изгог
ей в газораспределительной сис-
теле автомобильного двигателя небольшое количество износо-
стойкого чугуна расплавляется в керамическом тигле, окружен-
индуктором, а затем наплавляется на нагретую индуктором
покрытую слоем
изделия.
флюса - бура. Затвердешк' происходит посредством струйного
«доохлаждения внутренних поверхностей изделий, как механиз-
ма направленной кристаллизации металла наплавленного слоя.
В Новолипецком политехническом институте при индукцион-
ной наплавке использовали самофлюсующиеся порошкообразные
твердые сплавы типа ПГ-СР (табл. 3.2).
Таблица 3.2
: соотношение структурных зон
тине наплавленного слоя при
различных температурах наплавки удобно представить
Твердость покрытий на разной глубине наплавленного слоя
различна, микротвердость зоны сплавления зависит от режима
индукционной наплавки.
изготовить биметаллические роторы различной конструкции. !
Институтом электросварки им.Е.О. Патона изготовлена авто-
матическая установка для наплавки роторных механизмов методом
намораживания из расплава производительностью 5-10 роторов
в час. Разработанная технология и оборудование для НРПС
позволяют наплавлять биметаллические роторы электромашин. !
5. Плазменная наплавка
В настоящее время разработан ряд способов нанесения
износостойких материалов. Однако ни один из существующих
методов нанснсения не является универсальным, а свойства
соответствующих покрытий далеко не всегда удовлетворяют
современным требованиям. Значительный интерес представляет
пламенная наплавка. Энергетические, тепловые и газодинами-
ческие параметры струи низкотемпературной плазмы сравни-
тельно легко регулируются в широких пределах. Это позволяет
получить наплавленные слои с заданными физико-химическими и
механическими свойствами.
Способ плазменной наплавки обеспечивает минимальное
проплавление основного и наплавляемого металлов и минималь-
ный переход элементов основного металла в металл наплавки,
что обеспечивает высокую надежность и работоспособность
изделия в целом. Процесс наплавки пламенной дугой основан на
использовании в качестве источника тепла струи плазмы,
представляющей собой сильно ионизированное газообразное
вещество, температура которого достигает 15000’С.
В качестве плазмообразующего газа используют аргон и
кую температуру
гелий, которые
плазмы. Выбор защитного газа (аргон, азот, углекислый газ)
обусловлен его стоимостью и активностью взаимодействия с
основным и наплавляемым металлом.
С повышением мощности плазменной дуги до определенного
предельного значения повышается эффективность защиты
Наплавка может производиться дугой прямого действия; дута
>ит между вольфрамовым электродом и токовсдущей приса-
лаждасмым соплом). Пл
гея плазменной
угой прямого действия путем оплавления нанесенной на упроч-
яемую поверхность крупки сплава или металлокерамических
рисадочных колец, подачей порошка в сварочную ванну рас-
пиленного основного металла или вдуванием порошка в
Лпэмснную струю. Гранулы порошковых сплавов при вдувании
дугу должны иметь сферическую или близкую к ней форму.
'схнологмя плазменной наплавки предусматривает тщательную
чистку упрочняемой поверхности и присадочной проволоки от
вких-либо загрязнений. Наплавку производят плазменными
К Особенностью плазменной наплавки является возможность
Юоллдекн тугоплавких материалов и незначительная глубина
Проплавления. При наплавке стали на сталь комбинированной
дугой проплавление составляет 5%, медь, бронза, латунь совер-
шенно не смешиваются с основным металлом при нанесении на
сталь. Возможность соединения разнородных металлов при
ннческие свойства наплавленного металла, позволяет сократить
расход дорогостоящих материалов.
пых материалов на рабочую поверхность клапанов автомобилей,
наплавки антифрикционных материалов на поверхность тел
вращения, для повышения надежности деталей арматуры высо-
коэнсргетичсскнх шаросиловых установок в других деталей.
Путем плазменной наплавки можно получить плотные слои
в таблице 3.3. При наплавке можно использовать присадочный
материал в виде прутков, проволоки, лент и порошков.
Плазменные горелки имеют различную конструкцию в зависи-
мости от способа нанесения покрытий. В процессе наблюдается
обратность превращения ионов в молекулы, в зоне пламени
выделяется плазма, обеспечивающая получение высоких темпе-
ратур. Наплавляемый металл, проходя через плазму дуги,
выходит из нее в жидком или пластическом состоянии, и, попадая
на поверхность, образует прочное соединение.
Менее тугоплавкие материалы для наплавки могут быть в
виде проволоки. В Институте электросварки им. Е.О. Патона
разработана универсальная плазменная горелка комбинированно-
го типа для наплавки с подачей порошка в дугу. Для обработки
сверхтвердых металлов используются новые плазменные устрой-
ства. Покрытия, получаемые с их помощью, обладают жаростой-
Согласно проведенным испытаниям срок службы наплавлсн-
Спеченныс кольца централизованно изготавливаются с различ-
ных типоразмеров.
Наплавка дуговой плазмой применяется в массовом пронэ-
Кйстае клапанов на автомеханическом заводе в Челябинске.
Моторном заводе в Уфе и на других предприятиях.
' Наплавка дуговой плазмой с добавкой флюса является
ЗМ материалом - распыленный порошок с размером гранул от
О мкм до 400 мкм. Данный способ обеспечивает лишь
йна'штельное проплавление, доля основного металла составляет
1Кеимально 5-10% (в зависимости от режима наплавки), что
I базе N1 и Со. Широко распространен данный способ в
умышленности при изготовлении арматуры для перегретого
ра до т-ры 580*С и давлении до 26 МПа. На уплотнительные
Ыкрхности деталей задвижек и другой энергетической арматуры
Шлавляется сплав на основе никеля с содержанием 0,45% С;
8% Si: 14% Сг. 2,0 % В; 5-10% Реи твердостью от 41,5 до 49,3
HRC Наплавка осуществляется с предварительным нагревом до
I 500-550'С остепенвым охлаждением. Расплавленный металл
обладает хорошей жаростойкостью и нс подвергается образова-
нию заусенца. Производительность наплавки составляет 4,5 кг/ч.
.расход аргона составляет обычно
после обработки 3
I Продолжительность службы седел, наплавленных дуговой
плазмой с добавкой никелевого сплава, в 10 раз больше, чем v
Наплавленных электродами УН-12.
Наплавка дуговой плазмой деталей арматуры внедрена на
I naiLiai
' ежегодно
зированных предприятиях в СНГ, Чехии в Словакии,
здесь изготавливаются тысячи наплавленных изделий.
Для наплавки задвижек, эксплуатируемых на нефтехимиче-
| аих заводах при температуре свыше 600*С, используется сплав
, на основе кобальта. Еще недавно в США и других западных
Г странах дтя наплавки уплотнительных поверхностей арматуры
! предпочтение отдавалось стеллитам. Но поскольку в период с
1978 по 1980 г. стоимость кобальта возросла более, чем на 300%,
стеллиты.
которые должны были заменять
Переработка пластмасс и резиновых смесей осуществляется
с помощью шнековых экструдеров. Изнашивание шнеков (чер-
вяков) ускоряется из-за применения абразивных наполнителей
(стекловолокна, двуокиси титана и др.). Во избежание частой
замены дорогих и сложных деталей применялись различные
способы наплавки, при этом наплавка дуговой плазмой была самой
аффективной.
Наплавка червяков диаметром 63-200 мм осуществляется II
специальном токарном станке, на суппорте которого установлю
наплавочный аппарат. В качестве присадочного материал
служит распыленный порошок марки РГ-АМ2 (сплав на основа
железа системы Fe-Cr-V-Mo-Ni-C). Твердость наплавленного мо
талла составляет 45,5-48,5 HRC,. Наплавка осуществляется
пазу цилиндрической заготовки (необработанной отливки)
диаметр должен быть равен поминальному диаметру червяка
неэ’.ачительным припуском. Пазовый шаг точно соответствуя»
шагу витков червяка. Состав наплавленного металла выбран тли,
что трещины не образуются, поэтому наплавка осуществляется
без нагрева.
Испытания в течение 4400-6600 ч. червяков, изготовленных
из наплавленных заготовок, показали, что износостойкость
наплавленных заготовок по сравнению с азотированными червя- 1
ками, применявшихся в тех же условиях, в 10 раз выше.
Очень перспективной показала себя наплавка дуговой плазма
при изготовлении режущих многолезвийных инструментов для
металлообработки. Наплавка с добавкой гранулировать
порошка из быстрорежущей стали обеспечивает лишь незиачи-’
тельное проплавление основного металла и безупречное формо-
образование наплавленного валика.
После наплавки производится отжиг, затем осуществляется
механическая и далее термическая обработка (закалка и отпуск),'
Опыты показали, что быстрорежущая сталь типа 10Р6М5 (!%
С: 4%Cr; 6%W; 5%Мои 2% V)может наплавляться на заготовки!
из конструкционной стали без нагрева и с производительностью '
2,8 кг/час. Также и другие быстрорежущие стали могут успешно'
наплавляться.
Непосредственно после наплавки твердость слоя довольно
велика, а прочность и ударная вязкость очень малы. После полной
термообработки наплавленный слой имеет такую же твердость И
красностойкость как кованая сталь такого же состава, такую же
прочность при изгибе и большую прочность при краспостойоксти.
Расход быстрорежущей стали при изготовлении фрезы hi
наплавленной заготовки в 8-10 раз меньше, чем при изготовлении
данной фрезы по существующей технологии.
Ocyi
логию массового производства инструментов. Наплавка дуговой
плазмой с горячей присадкой, при которой в зону плазменной
струи вводятся две нагретые проходящим током присадочные
проволоки, может конкурировать с электродуговой наплавкой
ленточным электродом при изготовления корпусов атомных
реакторов. Данный метод внедрен в Швеции.
4»4
д™ плазменной наплалки замков бурильных труб, рабо-
изпашнвания.
честве присадочного материала используется так называемый
Пточный релит, оболочкой которого служит холоднокатанпая
и™ из стали 08КП, содержащая 0,030-0,055% кислорода.
В процессе наплавки зерна карбидов вольфрама, частично
вег благоприятные условия для образования СО. Вследствие
удалению СО.
шля получается
стым по всему объему, что снижает прочность закрепления
Г Для устранения пористости в состав присадочного материала
водятся элементы-раскислители. Экспериментально установле-
>, что применение для этой цели только кремния в марганца
i с приводит к положительным результатам. Наиболее перспек-
Ивным раскислителем при плазменной наплавке композицион-
на сплавов является ачюминий, обладающий наибольшим
I юдством к кислороду при температурах сварочной ванны,
низких к температуре кристаллизации. Кроме того, как лети-
ай элемент, алю
пластичность матрицы.
Поэтому для раскисления металла сварочной ванны используется
шликомарганец и алюминий. Оптимальное соотношение указан-
ных компонентов определяется при плазменной наплавке приса-
дочным материалом, в котором содержание силикомарганца
Марки СМН-17 изменяли в пределах от 0,5 до 2,5%, а алюминия
От 0,5 до 5,0%. В качестве армирующей составляющей исполь-
при содержании в присадочном материале алюминия и силико-
марганца более 2,0%, поры в композиционном сплаве отсутст-
вуют. Замена алюминиевого порошка на цельнотянутую прово-
локу снижает расход алюминия на 30-40%.
иис армирующих зерен по высоте наплавленного валика. При
содержании алюминия около 4,0% зерна релита в основном
располагаются в нижних объемах наплавленного слоя. Этот
аффект позволяет значительно повысить эксплуатационные
характеристики замков бурильных труб, наплавленных компо-
зиционным сплавом, при работе в условиях контакта с внутрен-
ней поверхностью обсадной колонны.
Применение электронного луча - вы<
прецизиоиного источника нагрева - позволяет обеспечить точную
dos
металл, раздельно pel
нагрев и плавление основного и присадочного материалов, •
также исключить их перемешивание.
При наплавке легкоплавких металлов на поверхности болм •
тугоплавких (например, меди и бронзы на сталь) без расплав-
ления последних необходимо обеспечить смачивание основы
жидким наплавляемым металлом, а также минимальную дли-
тельность контактирования твердой и жидкой фаз.
Данные химического анализа наплавленного металла и ис-
ходной проволоки БрАМц9-2 приведены в таблице 3.4.
Таблиц! 3.4
ки (ЭЛН), разработанный
особых трудностей и за
внедрен в серийное прои.
решить основную задачу - получение плотных, беспористыя
наплавленных слоев на цилиндрических узлах трения. Кроме того,
средством плавного изменения его диаметра в широких пределл! :
регулировать удельное тепловложение в основной металл *
химическому составу присадочного материала.
В процессе ЭЛН практически отсутствуют деформации н
финишной операцией, за вер)
цикл всей
Для ЭЛН используется оборудование, предназначенное для
(ктронно-лучеаой сварки - установка ЭЛУ-8 с источником
танин У25ОА и пушкой У53ОМ. С целью повышения стабнль-
сти процесса наплавки разработано устройство для подачи
(Кадочной проволоки в эону наплавки, хорошо зарекомендовав-
вляют поршни и штоки диаметром 60-120 мм, пальцы и
диаметром 30-60 мм. Длина участков 20-70 мм, толщина
Установлена
'кронного пучка
1 Врн наплавке различных медных сплавов на стальную
Поверхность. Используются сварочные проволоки по ГОСТ
16130-85: Ml, БрКМцЗ-1, БрОЦ4-3, БрБ2, БрОФ6.5-0.45,
МНЖКТ5-1-0,2-0,2 и Л63. Установлено, что эти сплавы, за
•включением БрОЦ4-3 и Л63, можно наплавлять на сталь,
, обеспечивая требуемый состав наплавленного металла и хорошее
БрОЦ4-3 на
наплавки. При нал
сих" режимах происходит значительное испарение цинка и
ней частые пробои. При наплавке лату
процесс
гея. Наплавлеш1ый слой получается
7. Лазерные наплавки
Лазерный луч представляет определенный интерес для на-
плавки ряда ответственных деталей, что объясняется его
преимуществами перед другими источниками нагрева:
- высокая регулируемая как в пространстве, так и во времени
- локальность воздействия, ограниченность зоны теплового
воздействия;
- простота управления.
- возможность обработки поверхности в труднодоступных
Местах и полной автоматизации процесса.
Применяется способ нанесения покрытий с помощью лазера
путем инжекции порошкового присадочного материала непосред-
ствснно в зону взаимодействия луча с поверхностью детали.
1 Установлено, что геометрические характеристики и свойства
авки и подачи присадочного
юрошм (d). Высоту Ни „
хггяг. "•"•”“
“ХХ£^"“ —"^.хх-
ХХ7ЙХ™, ~ " *"">
S«xrr-
«следоватадвно >и^2Т"ПНОМу ная‘>*'нию пЛУ^Ь Равной
^гкга«=тас»~ —.
“.х:=х£“~Х“"'*’м^ и=?‘
««арочной вдвиы „ вы«>кимн скопов ₽ наплав-
Во ВНИИТарма^ге11^ кристада««|ВДи "«аащення
H~~'sx££sS~Xis;-
обработка »^^иив,"“ "«оХй ST*°BKOro Wa I
««адующих панамД,,1СЯ * рсжиме закалки бо. Ы n0BCP’o,ooni
х W5 bX? B,“; «“«иость мощ^нХ°пла^ниа при
^«ФО^р^л,^ . W4eH“ (7'°-8'3>
48S
При лазерном оплавлении порошковых паст наиболее важно
Правильно выбрать связующее вещество для приготовления смеси,
г Существует узкая область режимов, обеспечивающих получе-
ние равномерных валиков с минимальным наплавлением основы,
й процессе оплавления по обеим сторонам валика образуются
Моленные зоны из-за выгорания связок и затягивания порошка
• Широкие слои с перекрытием полос легко получить при
лазерном оплавлении напыленных покрытий. При этом свойства
Оплавленных полос зависят от удельной энергии E = P(/VdR).
У* Газопорош ковую лазерную наплавку (НГЛН) осуществляют
При подаче порошка в зону воздействия лазерного луча с
помощью инжекторного устройства.
При подаче порошка под углом 90 к направлению движения
образца валик деформируется в сторону подачи. Устранить
рину и КИМ. можно при дву>
вок существенно отличается
' от микроструктуры слоев, полученных другими
лазерной наплавке сплавов системы Ni-Cr-B-Si происходит
растворение крупных карбидов, боридов и перенасыщенного
твердого раствора.
При наплавке чугунным порошком СЧ 21 в валике форми-
руется структура отбеленного чугуна.
Стойкость никельхромборкремнисвых сплавов, наплавленных
лазером, в 3-5 раз выше износостойкости плазменного покрытия,
оплавленного газовой горелкой, и более чем в 10 раз выше, чем
наплавленных токами высокой частоты. Прочность сцепления
наплавленного лазером слоя с саговой находится на уровне
2X0-320 МПа, что примерно равно прочности при наплавке
токами высокй частоты в 3-5 раз выше, чем при напылении
покрытий. Исследование теплостойкости лазерных наплавок из
никельхромборкремпиевых сплавов после нагрева в электропечи
достн от температуры имеется минимум при 400'С и максимум
при 600’С.
Осуществляется газовая наплавка ряда изношенных деталей
с целью их восстановления (распределительных валов, шарнир-
ных соединений, вырубных пуансонов). Практическое отсутствие
поводок свидетельствует о больших возможностях лазерной
восстановительной наплавки.
Большое внимание уделяется наплавке дизельных клапанов.
тила СВС-порошков:
I) Горение смесей порошков X и V в вакууме или инертной
' гаммой среде (например, получение карбидов, боридов, силицидов).
Г 2) Горение порошков X в газообразном состоянии, окислители
I V (например, получение нитридов при горении металлов в
газообразном азоте).
‘ 3) Горение порошков X в жидком состоянии, окислители V
I (например, получение нитридов при горении металлов в жидком
•зоте).
I - СВС проводят в специальных реакторах, различающихся для
трех описанных типов. Наибольшее распространение для безга-
мтого синтеза получили реакторы типа "бомба" постоянного
давления.
Процесс синтеза сопровождается ярким свечением, темпера-
турой горения в зависимости от конкретной системы величины
такой температуры составляет 1500-3500‘С. Зона свечения рас-
в пульсирующем режиме.
обычно 0,1-15м/с. После
ской реакции: реакции в узкой зоне в процессе распространения
фронта горения и реакции во всем объеме образца, разогретого
волной горения.
Глубина превращения исходных реагентов в процессе СВС
определяется термодинамическими и кинетическими ограниче-
ниями. Регулируя процесс путем изменения дисперсности реа-
гентов (размеров и плотности образца, теплопередачи с повср-
них реагентов
хотя иногда получаются и
высокие скорости синтеза, отсутствие существенных эпергетиче-
широкого промышленного применения.
экзотермических реакций из компонентов наплавочной шихты,
при которых происходит восстановление тугоплавких металлов
из окисных соединений благодаря наличию металлических вос-
При определенных соотношениях отдельных компонентов 1
реакция СВС горения, протекающая со значительным теплоам-
леиие наружного слоя основного металла и прочное соединений^
продуктов расплава шихты с деталью.
Таким образом, в процессе наплавки методом СВС создаете»
композиционное покрытие на основе железа, включающее круп*
алюминий в расплаве всплывает в виде шлака АЦОд (оксида '
алюминия).
При применении СВС-наплавки вместо порошков из металлов
и карбидов, применяемых при индукционной наплавке, исполь-
зуются оксиды (за исключением алюминия) и, следовательно,
возможно частичное использование рудного сыргя взамен мате-
риалов, прошедших металлургический предел. Реакция протекает
благодаря энергопотреблению при собственном тепловыделении,
и процесс является существенно менее энергоемким по сравнению
с традиционной наплавкой. Покрытие обладает износостойкими
свойствами при работе в абразивной среде, что определяет
область рационального применения этих наплавок.
НИИтракторосельхозмашем и показана принципиальная возмож-
ность получения износостойких наплавок.
Палевые испытания долот КША-25-503 культиваторов пло-
скорезов ПО “Целиноградсельмаш" с СВС-наплавкой показали
возможность повышения надсжности долота в 3-5 раз. Увеличе-
ние износостойкости достигается в основном благодаря увеличе-
нию толщины наплавки, а также составу и кристаллической
структуре материала наплавки.
ых условиях
требует выполнения следующих условий:
- реакция должна протекать при начальном давлении газовой
среды 40-50 втм. и существенном повышения давления после
- из-за существования высоких температур расплава (3000-
4000’0 поджиг шихты необходимо выполнять, соблюдая при
этом меры защиты постоянного электрода;
- из-за восприимчивости к самовозгоранию окончательного
состава приготовленной шихты и интенсивного тепловыделения
мальвой конструкции смесителя-дозатора, исключающей попада-
- на поверхности наплавляемой детали расплав необходимо
удержать от стекания;
чсння в реакторной камере при протекании химической
1Ш<и. вызывающей предельно высокие давления н образование
язивных частиц в продуктах сгорания;
- необходима разработка мер по выделению твердой фазы из
твой среды после протекания реакции, мер нейтрализации
Применение СВС-иаплавки только на сельскохозяйственных
деталях типа долота культиватора плоскореза обеспечивает
нядчительный эффект в народном хозяйстве.
9. Наплавка пучком релятивистских электронов
В области упрочняющей технологии целесообразно применять
Процесс обработки пучком релятивистских электронов для ло-
кальной термообработки и наплавки износостойких порошковых
материалов па изнашивающиеся поверхности деталей. Этот
процесс основан на примснсшш мощного потока электронов
Институтом ядерной физики СО АН РФ для технологических
Целей разработан ускоритель типа ЭЛВ, в котором при давлении
формируется мощный поток высоких (релятивистских) электро-
lute. С помощью системы магнитных линз поток электронов в
ускорителе сжимается в пучок с высокой концентрацией энергии.
“Шлюзовое" устройство обеспечивает вывод пучка электронов
из ускорителя в среду с нормальными атмосферными условиями.
Е, Технологическая характеристика ускорителя типа ЭЛВ:
| максимальная мощность, кВт
максимальная энергия электронов, МэВ
диаметр пучка электронов, мм
платность энергии, Вт/м2
КПД
100
1010
0,8
I По сравнению с традиционными технологическими процесса-
ми использование пучки релятивистских электронов в машино-
строении имеет ряд существенных преимуществ:
1) в отличие от традиционной электронно-лучевой технологии
I не требуется вакуумированная обработка деталей;
I 2) обладает в несколько раз большей мощностью при
применении ускорителей мощностью 500 кВт и коэффициентом
полезного действия (0,8) (по сравнению с лазерной технологией);
3) не требует применения поглощающих покрытий, инертных
газов и запасной оптики.
Благодаря этим качествам производительность обработки
деталей пучком релятивистских электронов во много раз выше,
чем при обработке этих же деталей другими способами.
Работы, проведенные НПО “НИИтракторосельхозмашем”,
НПО “Тулачермет", ИЯФСОАНРФ по наплавке износостойких
машин, дали положительные результаты. В процессе наплавки
в несколько раз больше, чем при
При
приятную мелкозернисту
индукционной наплавкой.
пру к туру, чего нельзя получит»
Возможность гибкого управления пучком электронов позволяет
в отличие от индукционной наплавки создавать на быстронзм- ;
шивающихся поверхностях деталей дискретные покрытия, хд»
рактеризующиеся повышенной износоустойчивостью, меньшим -
расходом износостойких порошковых материалов, меньшими
энергозатратами и более высокой производительностью. Нппллв-
ка дискретных покрытий пучком электронов обеспечивает боль-
шой экономический эффект.
Используются наплавки пучком электронов в ряде отраслей
народного хозяйства (получены весьма положительные данные
применения нового технологического процесса для упрочнения I
металлургического оборудования, в производстве строительных ’
материалов и др.). Применяются ускорители типа ЭЛ В-И, ЭЛВ-6.
10. Электроискровое легирование
Сущность электроискрового легирования (ЭИЛ) состоит в ,
том, что при искровом разряде в газовой среде преимущественно
разрушается материал анода и продукты эрозии переносятся нл
катод. При ।
I ни поверхности
катода (детали) в результате обработки образуется упрочненный
износостойкости.
1) перенос материала электродов в газообразном состоянии
разрядном промежутке;
2) диффузия
газообразном
। упрс
> электрода,
состоянии, в расплав металла упрочняемого
ектрода в месте разряда;
3) образование твердых растворив и мелкодисперсных карби*
износостойкий слой, структура которого напоминает структуру
антифрикционных сплавов: гнезда мелкодисперсных карбидов
включены в сравнительно мягкую основу. Этот перенесенный
материал электрода легирует металл детали и, соединяясь
химически с диссоциированным атомарным азотом воздуха,
углеродом и материалом детали, образует диффузионный изно-
нный слой. При этом в слое возникают
соединения, высокостойкие нитриды и
я. Глубина терми-
ни практически не снижается.
Процесс электроискрового легирования ведется па низком (4-9
напряжении переменного или пульсирующего тока под слоем
Цы или с подачей струи воды в зону кантакта электрода и
голи. В качестве источника тока используется сварочный
ввеформатор с дополнительно секционированной вторичной
моткой, что обеспечивает ступенчатое изменение напряжения
И 0,5 до 5 А. Электрод укрепляется в электрододержатсле
Вибратора, питаемого переменным или пульсирующим током.
Разработана конструкция ручного вибратора, простого и удобного
В работе, обеспечивающего нанесение слоя 0,3-0.5 мм толщиной
при средней величине полезной мощности до 1000 Вт. В качестве
электродов используются чугунные прутки марки АМ-8 или
прутки из стали ХВГ диаметром 8 мм.
Для упрочнения применяются в последнее время электроды
S3 металлокерамических твердых сплавов титано-вольфрамовой
группы марок Т15К6 и Т30К4 и графитовые - марок ЭГ2 и ЭГ4
с зольностью нс выше 1,8%. Твердосплавные электроды обеспе-
чивают большую глубину упрочнения. При упрочнении графитом
удается получить значительное повышение износостойкости ин-
струмента. Из всех применяемых электродов графит дает
наиболее чистую поверхность.
Кратеры единичных разрядов от графитового электрода
получаются в несколько раз меньше кратеров, получаемых при
ении других электродов; это позволяет
непосредственно у режущей кромки, не нарушая при этом
питания катушки 6 В; тяговое усилие 120 г.
Метод ЭИЛ, используемый для повышения стойкости ре-
жущего инструмента и оснастки, а также для восстановления
полупроводниковой техники, проводится преимущественно в
газовой среде компактным электродом и позволяет решить
проблемы, которые не могут быть решены другими методами
упрочнения (локальное легирование, упрочнение рабочих кромок
инструментов).
Разновидности метода ЗИЛ инструмента, получившие про-
Промышленные установки выпускаются с ручным электро-
магнитным вибратором: ЭФИ-79, ЭФИ-46, ЭФИ-80 (Кишинев-
ский опытный завод института прикладной физики), F-S(фирма
Electro ARC, США), Tucdur-2000 (фирма Raduga. Швейцария-Ита-
которых закрпляется легирующий электрод. Производительность
установок ЭИЛ 1 - 3 см’/мив, толщина покрытия до 50 мкм. В
ют сплавы па основе карбида вольфрама.
После ЭИЛ на поверхности упрочненного инструмента обра-
По данным фирмы Raduga стойкость штампа для вырубки
листов статора и ротора после ЭИЛ “суперкарбидом-925"
увеличивалась в 2,2 раза, а стойкость ковочных штампов - в
7,5 раза. По данным фирмы Electro ARC стойкость инструмента
На Хмельницком заводе трансформаторных подстанций ус-
пешно эксплуатируются установки типа ЭФИ-46 для ЭИЛ ножей
из стали У8 для резки электротехнической стали. Материал
электрода - твердый сплав Т15К6. Стойкость :
иных ножей
На Горловском машиностроительном заводе установка ЭФИ-
46А используется для упрочнения режущего инструмента на
стали Р9, Р6М5 и др. Донецким проектно-конструкторским и
(веским институтом разработаны оптимальные режимы
ая различных видов инструмента (таблица 3.6).
Таблица 3.6
50-80 30-60 0,25-0.80 W 0.01 2,5-6,63
Сосаний 80-120 60-150 1-2 0,01-0,04 20-160
IrpyCufi ИО-230 .50-330 0,04-0,08 больше
I Выбор параметров режима зависит от размеров упрочняемого
Инструмента. Хорошие результаты получены при применении
| ЭИЛ в нескольких проходах (2-3 прохода).
I При сверлении кулачка патрона дрели из улучшенной стали
сверлом диаметром 4,7 до упрочнения обрабатывали 20-30
' деталей. После упрочнения на установке ЭФИ-46А количество
обрабатываемых деталей увеличилось до 300. Стойкость фрез
повысилась в 2-3 раза, а долбяков с модулем, равным 6 мм, в
Т15К6, Т30К4, ВК8. ВКЗ (лучшие результаты дает применение
сплава ВКЗ).
По данным ВПТИэлектро, для малоразмерного инструмента
рационально использовать установки типа Tucadur. ди обработки
крупного инструмента рационально использовать установки типа
ЭФИ-46А. Пр,
XI2M для bi
еской стали. На рабочие
‘ поверхности деталей штампа на установке Тисабигваноснлся слой
карбида вольфрама, после чего эти поверхности покрывались
нитридом титана на установке вакуумного ионно-плазменного
упрочнения ИЭТ-8-И1 (Tima “Булат”). Испытания показали
повышение стойкости штампов в 3-4 раза. Однако качество,
стабильность и стойкость упрочненного инструмента при работе
па установках с ручным вибратором во многом зависят от навыков
н квалификации оператора электроискровой установки.
ческие показатели процесса ЭИЛ практически не изменились.
Некоторое повышение производительности процесса благодаря
увеличению частоты вибрации легирующего электрода достигнуто
в установках с ручным вибратором “Элитрон-10“, "Элитрон-20",
“Элитрон-50“. Уствовки этого типа успешно эксплуатируются
на многих предприятиях, в том числе на ленинградском заводе
’Электропульт”, в новосибирском производственном электро-
транспортном объединении “Электроагрегат” и др.
Применение механизированных установок позволяет сущест-
ность процесса ЭИЛ. При создании механизированных установок
для ЭИЛ можно выделить два основных направления: с "физи
веским" контактом электродов и бесконтактное легирование. I
ЭИЛ с физическим' контактом может протекать с вибрацией
электрода или без вибрации. При вибрационном механизирован-
ном электроискровом легировании используется вибрирующий
не позволяет
дов, а производительность практически мало меняется по срав-
нению с ручным легированием.
Более эффективными оказались механизированные установки
с вращающимися многоэлектродными головками, работающими
по безвибрациониому принципу. Применение многоэлсктродиых
вращающихся головок с жестким и гибким креплением электрода
облегчило механизацию процесса ЭИЛ, позволило наносить на '
поверхность детали многокомпознционные покрытия, улучшить
таблице 3.7.
Характерные особенности этих установок: конструктивно
(ИТТ), при этом многие ИТТ включают в свою компоновку
несколько генераторов импульсов тока, что позволяет применять
многоконтурную, шнрокодиапазонную обработку, увеличивать
разнообразие применяемых режимов, расширять технологические
магические системы слежения за величиной межэлекродиого
зазора, причем само слежение осуществляется в зависимости от
формы н профиля поверхности обрабатываемого изделия. При-
менение этих установок повышает стойкость инструмента и
оснастки в 2-5 раз, в зависимости от условий их эксплуатации.
Болгарскими специалистами разработан метод локального
электроискрового нанесения покрытия (метод ЛЭН), представ-
ляющий модификацию метода ЭИЛ. Создан ряд установок серин
ЕЛФА. Для упрочнения инструмента и штамповой оснастки
применяют установки ЕЛФА-512, ЕЛ ФА-541 и др.
Значительное уменьшение энергии единичного импульса в
электрода-инструмента на обрабатываемую поверхность позволя-
ют получать покрытия толщиной 8-10 мкм с низкой пористостью
и шероховатостью в пределах 1,25-0,40 мкм, что обусловливает
возможность использования процесса в качестве финишной
1| q IИ 11 a hi II !l 4ll I! II
si 11IH
a 8 H
1?пф
E ° Ul
я S i Ф1
s I Ф1.
s ? пни 1
8 8 a ? I 1 1
i! ? 1 5 i
§ii iii iHhi
i § I 4
8 8 5
HiiHlH
операции. По сообщениям болгарских спецнали
штампового и режущего инструмента после такс
увеличивается в 2 и более раз.
(Ленинградское оптико-механическое объединение) при обработ•
ке легированных сталей н сплавов титана, подтвердило эн
результаты.
Выбор способа наплавки обусловлен в основном величиной
износа, формой и размерами наплавляемой поверхности, далей
участия основного металла в наплавленном и тсхнико-экономм
которых может базироваться их выбор, приведены в таблице 3 8.
При малом износе детали наиболее эффективны способ*
наплавки тонких слоев металла с минимальным проплавлением
Для оценки технико-экономической эффективности сравнивае-
мых способов наплавки, а также для определения эффектнвност!
ремонта детали по сравнению с ее изготовлением воспользуема
выражением
где Ср - стоимость ремонта детали;
Си - стоимость ее изготовления;
к - коэффициент относительной надежности.
Из выражения следует, что более эффективным является
способ, обеспечивающий наименьшую стоимость ремонта при
равной износостойкости либо наибольшую износостойкость при
Перепишем выражение в виде Cp/(C„K)S 1. Более эффектив-
ным является способ наплавки, для которого отношение Ср/ (С„к)
имеет меньшее численное значение.
Таблица 3.8
Технологические характеристики способов наплавки
Воздействие ультразвуковых колебаний частотой от несколь-
существенному изменениювмикроструктуре кристаллизующего-
ся металла. Этим процессом можно управлять, подбирая опти-
мальную частоту ультразвукового излучения, при которой полу-
чается панлучшее сочетание свойств. Наибольший эффект может
быть достигнут при затвердении относительно небольших объемов
патя, что было осуществлено автором при разработке мм метода
препятствует развитию транскристаллизации - наиболее ве-
роятного процесса в условиях интенсивного отвода тепла.
для работы в условиях сложного напряженного состояния.
При разработке автором процесса магнитно-ультразвуковой
наплавки была сконструирована установка, состоящая из катуш-
ки длиной 90 мм с числом витков 2400 и П-образным
магнитопроводом, сечением 2 см3, выполненным из трансформа-
торной стали. Катушка питалась от выпрямителя током до 3,5
А. Замыкающим звеном П-образ>юго магнитопровода являлся
ератор. смонтированный на двух лампах 6ПЗС.
Источником ультразвуковых колебаний служила кварцсва
Пластинка работала на частотах резонансной и на второй -
гармонике. Кварцевая пластинка укреплялась в специальном
устройстве, через которое проводились к исследуемому объекту^
ультразвуковые колебания. Мощность, снимаемая с кварцевой '
пластинки на частоте первой гармоники порядка 2 МГц I
мощность была 60-72 Вт. Однако, при прохождении ультразвук
через оргстекло и слой масла потери на рассеяние достигал
величины порядка 60%. При сечении детали или резца, Я
которые производили наплавку, около 2 • 10"* м2 вводимая I
наплавку мощность составляла величину около 12 • 10"* Вт. Пр)
мощности I 10"* Вт переменные давления в жидких и тверды»
металлах имеют значения порядка (2-7) • 10’ м2. Следовательно,
при мощности 10* Вт они достигают 10’ Па. Давление 10’ Hi
является достаточным для обработки кристаллов при температу-
рах, близких к температуре затвердевания. Напряженность
мапштного поля в используемой катушке при силе тока 3.5 j
составляла 1200 Л/м, а остаточная индукция была рав!)
приблизительно 3 103 - 3 105.
Следовательно, сконструированная установка удовлст1ю|тлц-
нсходшям требованиям по параметрам, достаточным и необходи-
мым для изучения рассматриваемого процесса обработки кри
сталлизующего расплава.
При наплавке износостойкой режущей части инструмшгга’
установлено, что при наличии магнитного поля и ультразвуковых ’
колебаний имеет место воздействие на микроструктуру затвер-
девшего металла в направлении:
- уменьшения средней величины зерна;
- устранения столбчатой структуры и получен!
- повышения однородности структуры слитка.
3.4. Основные наплавочные материалы
I. Элементы теории легирования износостойких наплаг
Основные свойства наплавленного слоя и его эффективность
зависят от его состава и структуры. Причем особенно важно.
Насколько состав и структура наплавленного слоя соответству-
ют условиям, в которых он работает. Одни детали могут работать
в условиях чисто абразивного износа (например, поверхности
мнения роликов и катков и др.); другие подвергаются наряду с
абразивным воздействием ударным нагрузкам (например, черпа-
м£ч>
и структурного состояния наплавоч-
ударныч нагрузкам
ударам являются природа и свойства основных составляющих
сплава: ее матрицы и карбидов. Рациональное легирование
наплавочных сплавов возможно в тех случаях, когда выявлено
влияние структурного состояния сплава на его рабочие свойства,
т.е. на сопротивление абразивному изнашиванию н ударам в
условиях эксплуатации.
Износостойкость зависит от химического состава, твердости
изиосостойхость, в основном, зависит от количества и формы
карбидов в сплаве, а также от микротвердости структурных
составляющих. Однако, твердость однозначно не определяет
износостойкость. Износостойкость режущего инструмента более
взнашивания трущихся поверхностей гусениц трактора о землю,
хотя их температура не превышает 150'. Здесь определяющим
износостойкость фактором является форма и количество карби-
дов, их твердость, прочность, а также соотношение микротвер-
и формы карбидов, прочности, пластичности и твердости метал-
лической основы: степени
роструктуры.
Одним из способов 1
комплексное легирование.
се легированности и характера мик-
>вышсния свойств сплавов является
зарабатываются новые износостойкие
на основе металлических сплавов и
Износостойкость наплавленного сплава зависит от характера
присутствующих в нем карбидов. Увеличение количества карби-
дов в сплавах приводит к уменьшению сопротивления сплава
ударным нагрузкам. При этом у сплавов с мартенситной основной
при одинаковом количестве карбидов вязкость меньше, чем у
сплавов с аустенитно-мартенситной основой. В случае, если у
карбидов меняется тип связи и сильно уменьшается твердость,
то может произойти уменьшение износостойкости наплавленного
сплава. Таким образом, у многокомпонентных износостойких
расположения карбидной фазы, ио я от типа образующихся
карбидов. 11ри прочих равных условиях, износостойкость наплав-
ленных сплавов растет с увеличением твердости образующихся
карбидов. Выбор характера легирования сплавов определяется
комплексом требуемых свойств. Оптимальное сочетание износо-
стойкости и вязкости наплавленного сплава зависит от типа
карбидов, количества карбидной фазы и строения матрицы.
У сплавов, работающих при значительном абразивном воз-
действии и ударных нагрузках, количество карбидной фазы
сплавов является: аустенитно-мартенситная структура с вклю-
чениями карбидов В случае сложнолегированпых сплавов для
получения высокой износостойкости следует обеспечить наиболее
благоприятную карбидную фазу. При этом в сплаве должно быть
обеспечено определенное значениеотношения количества каждого
карбидообразующего элемента к углероду, т.е. вс всякое повыше-
ние содержания углерода или легирующего элемента ведет к
росту износостойкости. В комплексно легированных сплавах
образование того или иного типа карбидов зависит от сродства
к углероду легирующих элементов и их количества.
Присутствие бора в сплавах повышает их износостойкость.
Бор присутствует в ряде наплавленных смесей, например марок
БХ, КБХ, HP и электродов марок Т-590, Т-620, КБХ-45 и др.
Бор находит применение также в зарубежной практике. Однако,
следует отметить, что бор отрицательно влияет на пластические
свойства наплавок, понижая их сопротивление ударным нагруз-
характеристнкн.
Износостойкость наплавок обусловлена присутствием твердых
боридов карбоборидов. В сложнолегированных сплавах бор обра-
зует сложные соединения с компонентами сплава - бориды типа
С (металл-бор-углерод), МВС, М,В5, МВ, и др. карбоборнды
М/),(СВ)6.
главным образом, повышается), соотношение М/С, которое
пределягт тип образующих карбидов. Часть атомов углерода в
арбидах или карбоборндах замещается бором, что приводит к
рртивляемость ударным нагрузкам. Уже 6,3-О,4% бора вызывает
Сильное охрупчивание сплава. Поэтому в сплавы, работающие в
ора. Сплавы, работающие при абразивном изнашивании без
' Наиболее целесообразно легирование бором в случае сплавов,
работающих при абразивном изнашнвагши без ударных нагрузок.
Tim образующихся боридов зависит от количества бора и состава
(вплавленного сплава.
• бора (0,7...1,3%)
условиях многократного силового нагружения. Высокие эксплу-
атационные свойства этого металла, в частности величина
^смятия" н наибольшее сопротивление разрушению (по числу
циклов ударного нагружения) обусловлены совместным влиянием
как аустенитно-мартенситной матрицы, так и упрочняющей
и виде каркаса между
аустенитными зернами мартшгы рассредоточивает ударную на-
грузку на большую площадь, снижает интенсивность у -» а
конечном итоге достигается повышение сопротивления металла
усталостному разрушению в 1,5-2 раза в сравнении со сталью
25Х8Г8СТ.
Дли мартенситно-стареющих сталей упрочнение в этом
случае достигается благодаря выделению дисперсных частиц при
распаде пересыщенного раствора.
Перспективно дисперсионное упрочнение при использовании
интерметаллидов Ni/Ti, A); N1/T1, А). В этом случае необходимо
предотвратить образование тетрагонального мартенсита при за-
калке и выделение карбидов при отпуске, для чего концентрация
углерода в сплаве не должна превыишть 0,03...0,06%.
Обеспечение шггерметаллидного упрочнения ннзкатегнрован-
чию в них Tin А1 до 1%. Содержание №и Со.в зависимости от
15%. В этих
сталях частично упрочнение может обеспечиваться выделением
фазы Лавеса типа Fe2Mo, Fe2W, если металл легирован молиб-
деном и вольфрамом.
В сплаве 60ХНЗМЗР21ОФ износостойкость обеспечивается
мартенситной основой с небольшим (до 18%) количеством
остаточного аустенита, упрочненной карбоборидной эвтектикой
(CrsB3, Mo2Bj, Fe2B, Мо2С, VC, TIC), расположенной no границам
Для выбора оптимального легирования сплавов для плазмен-
ной наплавки под флюсом представляет интерес методика,
разработанная Э-Кречмаром и Ф.Хорном.
4Х высокотвердых материалов из
зующих и боридообразующих эле-
большого числа
ментов применяют эвристический метод ограниченной комбина-
торики. Для этого используют показатели карбидов н боридов
материале. С точки зрения плотности WC, W2C, ТаС, Та2С, ТаВ,
WB и W2B5
Они значительно тяжелее,
чем жидкая сталь, и опускаются на дно расплава. Подобраны
твердые материалы с малыми константами решетки (< 5).
Сг4В, Cr2B, Cr,B3, СгВ, CrjB^ ТцВ, TijBj, ZrBl2,V В, V3B4, Nb3B2,
NbB, Nb3B4, ТаВ, Mo2B, Мо2В,, WB, W2B,.
Из оставшихся высокотвердых материалов УВ2,Т1В2.ПСнмеют
После предварительного выбора намечены: VC, NbC, ZrC,
CrB2, ZrBj, NbB2. Из названных твердых материалов карбиды
повышает хрупкость при вводе его в твердые сплавы даже в
небольших количествах. Так как цирконий является слишком
дорогом, то надо было проверить сплав, в котором образуются
VC или NbC.
ер, (CrFe/Cj, W2C
или в присутствии бора М,С3 + Mj/BC).
Редкие элементы теллур, индий, германий. (Те, In, Ge)
количестве 2% ухудшает сплав NiCrBSi. При этом образуется
игольчатая структура с повышенной хрупкостью. Теллур должен
250 МПа; они обладают малой износостойкостью и используются
условий охлаждения расплава. Доэвтектоидные сплавы после
быстрого охлаждения имеют в структуре феррит, распола-
гающийся обычно по границам зерен и неравновесную состав-
Расчет долей твердого материала и матрицы, а также расчет
ции исходных материалов с учетом коэффициентов
вления и перехода осуществляется для механизированной
Высохохромистые составы наплавленного металла с Напол-
ьным легированием углеродом и бором широко нспользу-
। современной технике как в СНГ, так и в других странах.
В сплавах на основе железа с легированием C-Cr-В в первую
ь образуются высшие бориды, причем в каждом сплаве
тся смесь боридов, которые невозможно выделить по
I Природа износостойкости сплавов заэвтектического типа
тся мнкрохрупкостью износостойкой фазы (первичных
матрицы таких сплавов.
Для определения микрохрупкости используется следующая
ка. Критерием микрохрупкости фазы является суммарный
хрупкости
- доля отпечатков с данным баллом хрупкости.
В структуре высоколегированных сплавов, работающих в
виях абразивного накашивания, должны присутствовать
»е₽0ыс фазы - карбиды, бориды, карбоборнды и др., располо-
женные в матрице, состоящей из аустенита или продуктов его
"--------------- '— значительной степени определяют
и имеет твердость НВ 400 МПа.
Область применения эвтектоидных сплавов - контактное
трение металлов. С учетом абразивного характера изнашивания
деталей из таких сплавов используют заэвтектоидные. доэвтек-
тические. эвтектические и заэвтектические составы, как углеро-
дистые. так и легированные. Структура заэвтектических и
эвтектических наплавок состоит из вторичных карбидов и
эвтектики (ледебурита), располагающихся по границам зерен
аустенита или продуктов его распада. Расположение карбидной
эвтектикн по границам зерен обеспечивает повышенную износо-
стойкость сплава. Твердость сплавов составляет НВ 3500-6500
МПа у доэвтектических сплавов соответствующего состава -
хорошая износостойкость и ударная вязкость. При небольшом
количестве карбидов (менее 25%), равномерно расположенных
в матрице, сплавы обладают большой ударной вязкостью при
сравнительно невысокой износостойкости. В заэвтектичсскш
наплавочных сплавах величина первичных карбидов зависит от
скорости охлаждения. Ледебурит состоит из карбидов или
боридов, мартенсита н аустенита. Твердость наплавленного стоя
составляет НВ 6000-9000 МПа. Для достижения высокой изно-
состойкости желательно иметь равномерное распределение пер-
вичных карбидов или карбоборидов величиной порядка 20-50
Количество твердых фаз - карбидов и боридов - определяют
многие свойства сплава: износостойкость, твердость, сопротивля-
емость ударным нагрузкам. Оптимальное количество твердой
фазы для конкретных условий работы определяется с учетом
общей микроструктуры сплава, т.е. состояния его основы -
прочности, ударной вязкости, расположения и природы карбидов,
наличия боридов.
Оптимальное количество карбидов и боридов, составляющее
35-40%, достигается в сплавах, содержащих до 2-3% углерода
Сплавы, работающие в условиях одновременного действия
ударов и абразивного изнашивания, должны иметь доэвтектиче-
ский - или эвтектический состав и содержать до 20-30%
карбидов, для чего содержание углерода должно быть 1-1,4%,
Сплавы, работающие в условиях ударных нагрузок н незна-
чительного изнашивания, должны иметь заэвтектоидный или
доэвтектический составы, при содержании карбидов менее 25%.
содержать 1-1,2% углерода. Свойства сплавов зависят от типа
карбидов, их кристаллического строения, твердости. Например,
кубический карбид-пта МГ,С6 в хромистых сплавах обеспечивает
большую износостойкость, чем гексагональные карбиды хрома
типа М,С3. В общем случае, большую износостойкость в сплаве
обеспечивают карбиды, содержащие большее количество легн-
сплавах определяется отношением количества легирующего эле-
мента к количеству углерода.
О влиянии кремния можно судить по такому примеру.
Структура стали 20Х17Н8, легированной 2,8% Si, состоит из
аустенита и небольшого количества феррита. При повышении
концентрации кремния количество феррита увеличивается за счет
(устенита. В сталях, содержащих более 6% Si, кроме аустенита
и феррита, появляются силициды, резко увеличиваются размеры
Керен и утолщаются их границы из-за выделения силицидов.
В по границам зерен выделяется большое количество силицидов.
Твердость стали 20Х17Н8 сильно зависит от содержания в
ней кремния, особенно в интервале концентрации его 5-6,5%.
Г Наплавленный металл типа 20X17Н8 обладает достаточно
ВЫСОКОЙ износостойкостью только при содержании кремния в нем
Не менее 5%.
Резкое повышение износостойкости наплавленного металла
можно объяснить ростом твердости стали с HRC 21 до HRC 29. а
также увеличением концентрации SiO2 в составе окисной пленки
lu. поверхности сплава.
Для сплавов, работам
: при отрицательных температурах
наиболее высокий уровень ударной вязкости (к 40 Дж/мг на всем
интервале контрольных данных испытаний) наблюдается у
металла с содержанием углерода 0,2-0,6% с аустенитной,
•феррито.перлитной и аустенитно-сорбитнои структурами.
Сплавы имеют средние значения ударной вязкости 2,0-2,65 Дж/м3
при содержании углерода 0,6-1,2% и наличии аустенитной или
аустеиитно-сорбнтной структуры. Низкой ударной вязкостью
углерода г 1,8% (даже при значительном количестве остаточного
аустенита в структуре). Такое деление наплавленного металла
по его ударной вязкости в зависимости от содержание углерода
Повышение износостойкости
при
легировании его азотом и титаном связано с образованием
карбонитридов, труднорастворимых в аустените. Главная особен-
равномерное распределение по всему объему наплавленного
металла. Карбошгтрвдаыс включения имеют размеры 10-20 мкм.
Они значительно меньше, например, избыточных включений
карбидов хрома или вольфрама в заэвтектическнх наплавках,
частицы некоторых достигают 50-100 мкм. Наличие трудиораст-
ворнмых карбонитридов или нитридов сравнительно небольших
размеров с кристаллической решеткой, когерентной решетке
аустенитной матрицы, обеспечивает их высокую стойкость при
абразивном изнашивании и ударных нагрузках. В связи с
образованием карбонитридов увеличивается количество твердых
карбидов других элементов в сп
карбидов,
более насыщенных атомами металлов и более износостойких.
Изменение строения карбидов связано с перераспределением
увеличением устойчивости аустенита в сплавах с повышенным
содержанием азота. Увеличение устойчивости аустенита изменя-
ет термодинамику его агрегатно-фазовых превращений, при
этом уменьшается количество углерода, участвующего в образо-
Оптимальное сочетание свойств наплавленного металла по
его сопротивлению износу и ударам наблюдается при количест-
венном соотношении Ti/N. близком стехиометрическому составу
нитрида титана. Ударная вязкость наплавленного образца
не приводит к появлению
мартенсита.
Таким образом, рост износостойкости ваплавлешюго металла
при легировании его азотом до 0,2% и активными 1штрндообра-
зующими элементами происходит из-за образования карбопитри-
карбидов, измельчения первичной и блочной структур. Измель-
чение структуры, равномерное расположение сравнительно не-
крупных, хорошо укрепленных в матрице карбонитридов, увели-
чение устойчивости аустенита способствуют сопротивляемости
наплавленного металла динамическим нагрузкам. Одним из
примеров использования сплава с повышенным содержанием
азота (до 0.14%) является сплав, наплавленный электродами
ВСН-9Р.
Сплавы для износостойкой наплавки инструмента горячего
деформирования должны обладать высокой жаропрочностью,
жаростойкостью н термостойкостью. С целью обеспечения
этих свойств мартенситностареющий наплавленный металл дол-
жен иметь в своем составе Ni,Mo,Ti,AI,SiH другие легирующие
температуры а —» у-превращения и образования мартенсита
замещения и упрочняющих фаз. Наличие в наплавленном
повышенную жаропрочность и достаточную жаростойкость, а
препятствуют выделению карбидов молибдена.
При разработке экономичных наплавочных сплавов для
упрочнения инструмента холодного деформирования металлов
следует иметь в виду, что эффективным упрочняющим элементом
в мартенситностареющих сталях является титан, а снижению
растворимости молибдена и титана
иия наплавленного металла при этом принципиально нс меняется.
с фазой Лавсса,
*6-2.0% кремния позволяет снизить содержание в нем кобальта
Молибдена до 8-10%, сохранив при этом высокий уровень
| Ниобий измельчает зерно основы, легирует аустенит, повы-
ли его прочностные и пластические характеристики, способ-
К основе износостойких сплавов предъявляются требования,
Кзанные с ее основными функциями: сопротивляться истиранию
хорошо удерживать твердые частицы - карбиды, бориды и др.
Этим требованиям удовлетворяет аустенитно-мартенситная
Явтрица. Мартенсит плохо удерживает в себе карбиды, что
/Иногда приводит к снижению износостойкости. Аустенит обладает
хорошей износостойкостью и хорошо закрепляет карбиды.
h Соотношение мартенсита и аустенита в структуре зависит
оторых зависит их прочность и вязкость, количество карбидов
I др. твердых частиц, их свойств. В легированных заэвтектичс-
кнх сплавах с мартенситной структурой целесообразно увели-
ить количество аустенита для повышения их ударной вязкости
Считать 20-25%. '
В высокоуглеродистых сплавах, содержащих 2-2,5% С, а
юго аустенита должно составить около 20%. В сплавах,
цихбор, количество аустенита следует повышать до 40%.
предъявляются особые требования к ударной вязкости
юно можно применять сплавы, содержащие более 20% карбидов,
чартенситной основой, а также
«эвтектические сплавы
содержащие наряду с ка
нец. Для сплавов, работающих при чисто абразивном изнашива-
нии без ударных нагрузок, следует использовать заэвтектические
составы с содержанием углерода более 2%. От содержания
углерода зависит количество
составить до 40%, если сплавы
ударных нагрузок.
Количество аустенита должно состалять около 15-20%, что
достигается легированием сплавов Мп и др. элементами; легиро-
вание никелем необязательно. Основной легирующий элемент
этих сплавов - хром. Сплав, содержащий 2% С. должен
содержать около 18% Сг. Верхний предел содержания должен
обеспечивать получение отношения CrIC 18-22 весовых %.
которые обеспечивают получение более стойких и твердых
кпми карбндообразуюшнмн элементами отношение их суммы к
углероду должно быть 2-5% при отношении W/C=05-0,96 и
V/C=0.2-0,45. При легировании сплавов, содержащих хром в
расчета замены хрома в отношении: на 1 вес. % хрома 3 вес.
% вольфрама. Количество ванадия в сплавах, легированных
хромом и вольфрамом, не должно превышать V/GO24+0,45ат.%.
При таком содержании ванадия достигается эффективное повы-
шение износостойкости. В некоторой степени повысить износо-
стойкость заэвтсктичсских высокохромистых сплавов можно
дополнительным введением марганца, в количестве 4-5%. Весьма
эффективно повышает износостойкость бор. Его следует ввод>пь
карбвдообразующих элементов в сплаве к углероду должно быть
Для сплавов, работающих при значительном абразивном
изнашивании и ударных нагрузках применяют зазвтсктическш
высоколегированные составы. Количество карбидной фазы в этих
сплавах не должно превышать 20-30% для обеспечения высокой
количество карбидной н боридной фаз в сумме должно составлять
20-30%. Количество аустенита в них должно составлять около
40%. а содержание углерода нс должно превышать 1,5%.
Износостойкость доэвтектических сплавов при работе с удар-
ными нагрузками меньше, чем сплавов заэвтсктичсских. Условия
легирования этих сплавов карбидообразующнми элементами и
бором аналогичны сплавам, приведенным выше. В доэвтектоцд-
быть в пределах
0,9-1,4%. Хорошее сочетание износостойкости и ударной вязко-
сти достигается при 30-40% аустенита в случае, если сплав
содержит 3-6% никеля. Замена никеля марганцем в этих сплавах
нежелательна из-за повышения хрупкости. Сплавы, работающие
при незначительном изнашивании н интенсивных ударных на-
грузках, должны иметь доэвтектический или доэвтектоидный
состав. Здесь возможны различные варианты их химических
12-14% хрома, 20-30% марганца, имеет хорошую ударную
вязкость и умеренную износостойкость. Часть хрома в этом
подобного типа сплавах должен отсутствовать.
А 2. Классификация применяемых износостойких
наплавочных материалов
Существует большое количество разнообразных наплавочных
(Приалов. предназначенных для противодействия вссвозмож-
М видам изнашивания. Такие материалы классифицируются
крхностных слоев с особыми свойствами по следующим
тюкам, по использованию в той или иной отрасли промыш-
с учетом специ-
I или иной дачи абразивного изнашивания и ударных нагрузок.
, Разработано неско
Способ I - самый простой: лег
। различным
I Способ II - присадка легирующих материалов через проволоку
ли вместе с проволокой, обычный флюс. Сюда относятся
Способ 111 - обычная проволока или лента н легирующий
люс; механическая примесь ферросплавов к флюсу, керамнче-
вделия, наплавка обычным электродом под обычным флюсом,
полным расплавлением легирующих материалов.
Строго говоря, ни один из этих способов ИС встречается i
чистом виде, а чаще - в сочетании с другими.
Стержневыс электроды с легирующей обмазкой представляют
собой металлические стержни, чаще всего изготовленные из
малоуглеродистой сталыюй проволоки, на которые наносится
специальное покрытие. В состав покрытия входят ферросплавы.
В настоящее время существует стандарт на наплавочны!
материалы: ГОСТ 10051-75 “Электроды покрытые металличе»
особыми свойствами" и ряд технических условий. ГОСТ 10051-75
содержит 44 типа электродов, для каждого типа электрода
указаны: химический состав наплавленного металла, твердость а
рабочем состоянии, область применения с указанием конкретных
примеров, обозначение типа электрода введено по твердости U
химическому составу. Применяются электроды марок O3UI-I,
НР-70, ЦН-16, ОЗШ-З, ЭН-60М, ЦН-4, 48Ж-1, Ш-16, Ш-1, Х-5
грану
сплавы. Наплавка этих сплавов производится несколькими
способами. Прутки наплавляются либо газовым пламенем, либо
электрической дугой.
Высококарбидкые литые сплавы представляют собой литые
карбиды металлов, чаще всего вольфрама. Они отличаются очень
тем значительной хрупкостью. Область применения литых
высококарбидных сплавов весьма ограничена. Они применяются
промышленности. Литые электроды выпускают в виде стерж-
ней. Часто они имеют нестандартные составы, например в них
входят бор, молибден и др. элементы, что обеспечивает тепло-
стойкость до 800'С.
На Московском опытном сварочном заводе разработаны и
серийно выпускаются наплавочные электроды, отличающиеся
экономным легированием, улуииенными сварочно-технологиче-
скими и санитарно-гигиеническими характеристиками. Среди
них электроды ОЗН-ЗООУ и ОЗН-400У для восстановительной
наплавки деталей, работающих в условиях интенсивных ударных
нагрузок при трении металла по металлу; ОЗН-6, ОЗН-7 н
ОЗХ/ВСН-9 - для наплавки дета
интенсивного ударно-абразивного изнашивания; ОЗШ-6 - для
деформационных условиях; ОЗШ-7 - для наплавки деталей,
работающих в условиях высоких динамических нагрузок и трение
Электроды ОЗН-ЗООУ и ОЗН-400У отличаются повышенной
износостойкостью и стабильностью свойств наплавленного метал-
ла. Они нашли широкое применение при ремонте сопрягающихся
комбинатах. Наплавленный металл хорошо обрабатывается мс-
жущнм инструментом я может закаливаться токами
I частоты. Последнее важно при ремонте зубьев Крупно-
4И1ЮЩСЙ и строительиодорожной техники. Возможна
ОЗН-6 с обеспечением
и наплавленного металла на уровне HRC, 65.
наплавки буровых долотьев станков БС-1 п. изготовлен-
ии стали 110Г13Л, применяютсязлектроды ОЗН-7. В случае
и сильных ударов
ндустся использовать злектроды ОЗН/ВСН-9.
рмостойкость металла, наплавленного электродами ОЗШ-6.
{(остигает 1050"С, твердость при 700’С не менее HRC, 50,
Длительная прочность при 700Т на базе 100 ч о2^ - ISO МПа.
В Электроды ОЗШ-6 благодаря высокой теплостойкости н
повышать ресурс даже самых тяжело нагруженных ухтов куз-
резки металла увеличила их износостойкость о 10 раз по
сравнению с аналогичными деталями из термохимически упроч-
'ГОрячего передела “Хатебур" и “МГР", наплавленных электро-
дами ОЗШ-6, достигает 220 тыс. резов, в то время как у ножей
. Из стали 40Х он составляет 700 резов, а у ножей, наплавленных
•лектродамн ОЗИ-5, стеллитом ВЗК и электродами Super Е-
4055 - 70 тыс. резов.
I Все указанные выше электроды технологичны в условиях
серийного ронзводства и, как правило, обеспечивают хорошее
ве иных положениях.
I Классификация наплавочных электродов по их назначению
принята ГОСТ 10051-75 (табл. 4.1).
Таблица 4.1
Классификация наплавочных электродов
по их назначению
Ни.- и.».-»—»»-
1 Детали. работающие в по металлу” с ударами СЗН-250У ОЗН-400У
Г». Намжааашм. апжж т““ЖГ-тГгост
п Штампы холодной Э 3WC2T зн-мм
Ш Штампы горячей э4оХ4М4ВФ ОЗШ-1 ОЗИ-З
IV Прошивные штампы Э-08К15В7М5ХЗСФ Э-ЮК18В11МЮХЗСФ ПИ 5
также металлорежущий инструмент
Э-65Х11НЗ Э-65Х25Г13НЗ иИИИН-4
условиях трения из
VI Детали, работающие в условиях DHTeiKUBlIMX ударных нагрузок с абразивным пзнашшинисм Э-95Х7Г5С Э-30Х5В2Г2СН 12УШ/ЛИВТ
VI) Э-320Х23С2ГТР Э-320Х25С2ГР
абразивному изнашиванию
VIII Детали, испытывающие Э-11ОХ14В13Ф2 Э-175Б8Х6СТ ВСН -6 ЦН-16
с ударами
IX Э-15Х15Н10С5МЗГ Э-!ЗХ28Н10СЗМ2ГТ ЦН-18
4. Электродная проволока
Для механизированной наплавки широко применяется столы
ная сварочная проволока (ГОСТ 2246-70), наплавочная проволока
(ГОСТ 10534-82). Чтобы восстановить размеры различных
: деталей.
УГСЯ углеродистые и легированные
сварочные проволоки. При наплавке слоя малоуглеродистой стали
применяется электродная проволока. Применяется электродная
проволока СВ-08Г2С, CB-J2TC, СВ-18ХГС, Св-20Х13 н др. Чтобы
получить повышенную коррозионную стойкость и износостой-
кость наплавочного металла, применяются высокохромиста*
проволока СВ-10Х17Т н др. Чтобы наплавить детали, подвер-
женные коррозии и кавитации, применяют хромоникелевые
аустенитные проволоки, например, CB-06XI9H9T и др. Кроме
этого, для наплавки можно применять пружинную проволоку, |
также проволоку с химическим сопротивлением.
Широкое распространение находит наплавка порошковой
Проволокой, предел
НШгкоуглеродисгпой
0,5-1,0 мм, наполненную
июв и других компонентов.
I Порошковая проволока разработана в институте электросвар-
ки им.Е.О. Патона (под руководством проф. И.И. Фрумина) для
Порошковая проволока позволяет
жолегированный металл.
!'= ь иаплавлс!
г Существует много марок наплавляемой порошковой проволо-
ки, например, ПП-Нп-35В9ХЗСФ - для наплавки валков станов
Горячей прокатки, ПП-2ХЗВ10ГТ - для прессового инструмента
I и др. Порошковая проволока марки ППГВ используется для
автоматической и полуавтоматической наплавки высокомарган-
цовистой стали деталей, работающих в условиях абразивного
взноса и удара.
\ Применяют также порошковую проволоку марок: ПП-Нп-
45С9ХЗСФ, ПП-НП-25Х5ФМС, ПП-НП-30Х4В2М2ФС, ПП-Нп-
14ГСТ, ПП-НП-80Х20РЗТ, ПП-Нп-30Х5Г2СМ и др.
Г Применение порошковой проволоки позволяет повысить про-
кого металла. Наплавка производится под слоем флюса или в
углекислом газе. В последнем случае в состав наполнителя
проволоки вводят титан. Порошковая проволока с внутренней
защитой наряду с легирующими элементами содержит газе- и
1Ы, защищающие зону наплавки в
истикн покрытых наплавочных алск-
вдов приведены в ГОСТ 10051-75.
Выбор марки наплавочного материала производится в соот-
механизированной наплавки регламентирован ГОСТом 10543-82,
а котором приведена также ориентировочная твердость и при-
мерное назначение. Широко используется для наплавки также
стандартная сварочная проволока (ГОСТ 2246-70). У глс|юдистые
повлення размеров различных изношенных деталей. Высокохро-
мистые проволоки Св-20Х13,Св-10Х17Т обеспечивают повышен-
ную коррозионную стойкость и износостойкость наплавленного
металла. Хромоникелевыми аустенитными проволоками Св-
06Х19Н9Т наплавляют детали, подверженные коррозии и кави-
тации. Наряду со сварочной и наплавочной проволокой для
наплавки используют также пружинную проволоку (ГОСТ 9389-
75, ГОСТ 1071-81), пружинную легированную, сходную по
химическому составу со стандартными сварочными наплавочными
проволоками. При большом объеме наплавочных работ вместо
проволоки применяют ленты: электродную стальную холоднока-
тан ну к> и спеченную (ГОСТ 22366-77).
Также широко применяется в промышленности порошковая
проволока и порошковая лента марок ПП-Нп-14ГСТ; ПП-АН121,
ПП-Нп-25Х5ФМСТ и др.
Применяются также присадочные, литые н спеченные прутки
и кольца (ГОСТ 21449-75), к примеру, марок Пр-С27, Пр-ВЗК,
ПК-НХЗЗСЗ, ЭП-616.
Находят также применение порошки гранулированные (ГОСТ
21448-75), к примеру, ПГ-Cl, НПЧ-3, ВСНТН-80.
Кроме этого, в промышленности применяются тугоплавкие
материалы, к примеру, ЭВИ-1, ЭВТ-15, релнт-3, АН-ЛЗ; флюсы
плавленные и керамические (ГОСТ 9087-81), к примеру, АН-
20С, АН-348-А, ОСЦ-45П, прочие наплавочные материалы, к
примеру, КБХ, ПС-14-80, С-27 и др.
Все наплавочные сплавы разделяются на восстановительные
я обеспечивающие получение заданных физико-механических
низкое содержание углерода и легирующих элементов. Наплав-
сплавов второго типа должны содержать
углерода н
легирования при
Общая характеристика четырех способов легирования
при наплавке под флюсом
Сжхобмчомв»
1 п П1 IV
Нлвлучш». Хорош.. Плох..
различных „.ЫуЧШК. Ужвлепюр.- Плох*.
начается буквой: например, В - восстановительная, ОС - с
особыми свойствами, И - износостойкая, Ж - жаропрочная. Для
ограничения типа электрода предлагается буквенно-цифровая
система, подобная маркировке легированных сталей. Например,
марка ЭН В - 15ГЗ может быть расшифрована следующим
углерод - 0,15%, марганец - 3,0%.
после охлаждения на воздухе, различают четыре класса напла-
вочных сплавов: перлитный, мартенситный, карбидный, аусте-
нитный.
Пе
i для восстанови
тельной наплавки.
Наибольшей износостойкостью отличаются наплавленные
слон карбидного класса, содержащие карбиды в виде сетчатых
или скелетообразующих строений в эвтектике.
Керметы включают небольшую группу металлокерамических
электродов, не входящих в государственный стандарт. Они
позволяют получать наплавленный металл любого химического
состава, чего нельзя добиться при ферросплавных композициях.
Керметы изготавливают методами порошковой металлургии.
Применяется композиция двойных боридов хрома н титана,
борида хрома и Fe следующего соотношения: 50% Cr Ti В. +
+ 45% СгВ, + 5%Ре.
Литые сплавы и керметы обесп:
ленного слоя с хорошим комплексом эксплуатационных свойств:
твердостью, износостойкостью, прочностью. Применяются также
прутки марок Пр-С 27, ПР-С I, ПР-С 2, 3B-I6K, ВЧ, ХЧ и др.
Порошки (порошкообразые наплавочные материалы) представ-
ляют собой механическую смесь металлов с материалами,
содержащими углерод или бор, которые при наплавке, т.е. при
расплавлении под действием угольной электрической дуги,
превращаются в сплав, в его состав входят карбиды или бориды
этих металлов: WC, Cr,C,, MOjC, СгЬи др. В процессе наплавки
происходит перемешивание твердого сплава с основным метал-
лом, вследствие чего наплавленный слой твердого сплава обо-
гащается железом, тем самым уменьшается его твердость и
износостойкость. Чем выше температура наплавления твердого
сплава, тем сильнее
получается часто пористой, а иногда с небольшими поверхност-
ными трещинами. Применяются порошкообразные наплавочные
материалы: боридная наплавочная смесь БХ, наплавочная смесь
КБХ.
Применяются также порошки марок ФБХ6-2, ПС 14-80, ПС
14-60, ПС 15-30, ПГС-27, ПГСР-3, СНГН-55, ВСНГ-80, релит-3,
П1 ХНС5Р, ПН ЛН-34 и другие.
НПО “Тулачермет" производит следующие марки порошков:
ПН80Х13С2Р, ПН77Х15СЗР2, ПН73Х16СЗРЗ, ПН70Х17С4Р4,
ПН65Х25СЗРЗ, ПН68Х21С5Р. Наплавленный ими металл имеет
твердость в диапазоне НКСЭ 30-60, жаропрочен при т-ре
600-700*С, обладает жаростойкостью при т-ре 950*С и хорошей
каустической соде, жидком свинце и других агрессивных средах.
При наплавке необходимо огр
Кюго металла в наплавленный, иначе свойства последнего
ухудшаются. Наплавку порошками ПН73Х16СЗРЗ и
ПН70Х17С4Р4 рекомендуется вести с предварительным подогре-
1ом до т-ры 300-400'С, а после наплавки следует обеспечивать
(Медленное охлаждение деталей во избежание появления холод-
max трещин.
В* Порошки самофлюсующихся сплавов применяются для на-
плавки проводковых роликов прокатных станов, лопаток дымо-
плунжеров и втулок водяных и кислотных насосов, уплотнитель-
ных поверхностей трубопроводной арматуры для паропроводов.
Впускных клапанов двигателей внутреннего сгорания н т.п.
Порошок симофлюсующегося медно-никелевого сплава марки
ПР-НД42СР предназначен для заварки дефектов чугунного
, интья Твердость слоев, наплавлышых этим порошком, твердость
НВ 180-210. Широко применяются порошки для плазменной
Освоено производство порошков быстрорежущих сталей (ПР-
I0P6M5. ПР-М6ФЗ, ПР-М6Ф1), хромовольфрамовых и хромомо-
либденовых (ПР-Г7Х5ВЗФ5С2М, ПР-22Х6Ф8ВМС, ПР-
Х12ФЗМТ. ПР-12М), а также коррозионностойких сталей
(1IP-X18H9. ПР-Х2Н28МЗДЗТ, ПР-Х18ФНМ).
Порошки быстрорежущих сталей применяют преимуществен-
но для наплавки металлорежущего инструмента. Из-за склонно-
предварительным и сопутствующим подогревом до 500-600'С.
Твердость наплавленных слоев HRC, 60-65.
Хромовольфромовые н хромомолибденовые стали обладают
контакте с горячим
металлом. Для предотвращения трещин наплавку ведут, как
правило, с предварительным подогревом детали до т-ры 350-400'.
Высоколегированные чугуны представлены, в основном, сле-
дующими марками порошков: ПГ-С27,ПГ-С1,ПР-Н17Д7СХ. Они
применяются для наплавки деталей, работающих в условиях
при обычных и повышенных температурах, например, валков
бульлозеров я т.п.
(Хвоен выпуск порошков бронз, а частности ПР-Бр010Ф1,
ПР-БрАЖНМц. Для предупреждения пор в наплавленном ме-
или введение раскислителей при выплавке цинкосодержащих
Применяются самофлюсующиеся сплавы на медной основе в
виде порошков. Отличительная особенность данных материалов
Освоен выпуск порошков хромокобальтовых сплавов — стел-
литов, в частности порошка марки ПР-К60Х30ВС. Стеллиты
способны сохранять твердость при высоких температурах, обла-
температурах, коррозиошю- и эрозионностойкн, имеют хорошую
тенситностареющих сталей. Наплавленный ими металл не
после наплавки и удовлетворительно обрабатывается резанием.
Последующая операция старения позволяет значительно поднять
его твердость и износостойкость.
280-400 мкм.
размером частиц 80-160, 160-280,
лургического оборуд
спа, главным образом на базе №Cr-Si-B. Состав порошков, нх
свойства и назначение представлены в таблице 4.3.
1СТВУ
Номинальные диаметры проволоки и предельные отклонения
по ним должны соответствовать указанным в таблице 4.4. Допуск
|фуглостн проволоки не должен превышать предельных отклоне-
Проволока выпускается свернутой в нотки, размеры и масса
Таблица 4.4
Номинальные диаметры проволоки
и их предельные отклонения
ставу наплавочной и сварочной проволок. Отличительной осо- :
бенностью применения лент является повышенная производитель-
ность процесса наплавки и уменьшенная глубина проплавления
20-100 мм.
I 0,4-1,0 мм и шириной
при г-.рное нх назначение указано в таблице 4.6.
Применяют ленты марок ЛС70ХЗНМ, ЛС5Х4В4М2ФС,
ЛСХ21Н9Г, ППАИ-101, ПЛАН-150, ПЛАН-134 и др.
Электродусовая наплавка под флюсом спеченными лентами
мические выгоды: в несколько раз, по сравнению с наплавкой
проволокой, повышается производительность, улучшается каче-
ство поверхности детален, возрастает срок их службы, экономятся
лента отвечает всем требованиям, предъявляемым к электрод-
ным материалам для наплавки специальных сталей и сплавов:
при наплавке под серийными флюсами обеспечивается устойчи-
вый дуговой процесс и равномерное плавление, хорошее формн-
Наплавка спеченной электродной лентой выполняется на
наплавочных аппаратах, снабженных специальной приставкой,
например, тапа А1747, А1531. Спеченная электродная лента
Таблица 4.9
температ
коррозий.
1. Наплавочные сплавы специального назначения
Применяют наплавочные сплавы марки 10Г2, 11ГЗ, 12Г4,
С, 30Х4Г, 60X3, 70ХЗСМИ, 80Х4С, Г!3, Г12Н4, ПЗХ4НЗ,
13. 14I7MT, ЗХ2В8, 5Х4ВЗср и др.
ые, вольфрамовые и молибденовые чугуны, главной
урной составляющей которых являются карбиды хрома,
и молибдена, обладают высокой твердостью и изно-
пъю. Подобными свойствами обладают сплавы с высо-
содержанием хрома и бора. Шихта для наплавки легярован-
чугупов может применяться р виде механических смесей
и углесодержащих порошков с химическими соединсни-
i Для упрочнения деталей машин. работающих в абразивной
28Н4С4 (сормайт 1), У45Х35ГЗР2С (КБХ-6-2) и
40Н2С2Г, эти сплавы обладают вы
хорошими наплавочными свойствами.
Сплав Ж4НДХ-15-7-2 “нирезист' с
обладает высоком жаро-
ьк> и применяется для упрочнения внутренней поеерхно-
U цилиндровых гильз двигателей внутреннего сгорания.
Прсимуществом этих сплавов является возможность
____:ой обработки, поскольку непосредственно после на-
и твердость этих сплавов небольшая - HRC, 30-35. Высокую
ть (около ИКС, 67-70) эти сплавы приобретают после
отпуска, при „|пламимп.
раствора и выделение из него
енного твердого
азы. Примером
такого сплава является сплав K30MI8TCH, сплавы на основе
никеля и кобальта 6Т01. Эти сплавы применяются для наплавки
рабочих поверхностей деталей, работающих в условиях высоких
Нихромы (XI5H60. Х20Н80, Х37Н60С2 и Х25Н40В6), нимо-
ники (ХН67ВМТЮ), колмоной (НХ10Р2, HXI3P3 и НХ15Р4),
хастеллой (хастеллой В, хастеллой С) - сплавы на никелевой
основе; содержание никеля в сплавах составляет 58-80%. Бла-
добавляются к наплавочным материалам в процессе их нанесения.
Самофлюсующиеся сплавы позволяют получать бсспористые
металлические защитные покрытия, а изменение содержания
легирующих составляющих таких сплавов позволяет изменить
твердость покрытий от 47 до 64 HRC,. Самофлюсующиеся
и жаростойкости, простоте изготовления и использвання нашли
широкое применение в инструментальной, станкостроительной,
химической, машиностроительной и ряде других отраслей про-
мышленности.
Основным свойством mixpo.uoe является жаростойкость, что
обусловило их применение для повышения технического ресурса
деталей термических печей и аппаратов. Широкое применение
телей внутреннего сгорания (сплавы Х25Н40Р6, Х28Н45С2 и
ХН80СР4), уплотнительных поверхностей арматуры и других
Дополнительное легирование сплавов этого типа производят
кобальтом, молибденом н ниобием. Максимальная жаропрочность
сплава достигается в результате термической обработки, заклю-
чающейся в воздушной закалке при т-ре 1100-120’С и старении
при т-ре 700-80”С в течение 10-20 часов. Основное назначение
сплавов “нимоник* - упрочнение деталей, длительно работающих
в условиях высоких температур.
Преимуществом сплавов типа нимоник, по сравнению с
ствие трещин в наплавленном металле и высокая пластичность.
Никельхромовые сплавы с повышенным содержанием углерода
и дополнительно легированные бором (НХ10Р2, HX13P3 и
высокой жаростойкостью и прирабатыеаемостью при трении без
левой оболочкой плазменной дугой. Применяются для наплавки
тельного узла, двигателей внутреннего сгорания, шнеков и других
Никельмолибденовый сплав обнаруживает высокие коррозион-
ностойкие характеристики при эксплуатации в агрессивных
смесях) при разных температурах, в серной кислоте при низкой
аналогично наплавке жаропрочными сплавами.
Износостойкость материалов при абразивном изнашивании в
значительной степени определяется количеством и твердостью
карбидов в его структуре. Одним из путей повышения износо-
стойкости является внесение в ванну расплавленного металла
иковых карбидов, которые не расплавляются, а лишь
ично растворяются в жидком металле, сохраняя в наплав-
ж слое исходный состав и структуру. Такие сплавы
шли название * псевдосплавов". Материалом для образова-
вязкой матрицы избыточных карбидов могут являться
шльные присадки, расплавленный основной металл, чаще
или литые твердые сплавы. Широкое применение для индукци-
ваплавки деталей почвообрабатывающих агрегатов нашли
ковые псевдосплавы ПС-15-30, ПС-14,60, ПС-14-80. Литые
{оболочкой из тонколистовой малоуглеродистой стали. Содержание
зерен литого карбида вольфрама в трубке составляет 60-70%
общей массы электрода. Электродуговая наплавка хромистых
карбидных псевдосплавов производится металлокерамическими
Сплавы и другие материалы для наплавки изнашивающихся
верхвостей, улучшающие их работоспособность в различных
---------------1--------в.:------------------ таблице 4.10
Таблица 4.10
Химический состав сплавов на основе железа
Примечание. В сплавах No 4 5 кобелы содержится только
(от 0,08 до 0,2%); бор - следы; углерод - от 0.2 до 2,9%.
Таблиц» 4.11
Химический состав используемых сплавов
на основе никеля
е я С«фХ>
7 ПГ-СРЗ 0.55 3.0 15.0 - 2,4 5.0
S CoinxnoyNc 5 0,55 3.7 12,0 23 3,7
9 Coinwooy N» 6 0,45 4.35 133 3,0 4.0
ПГ-Х1170С5Р 0.50 4.9 25,0 0.9 10,0
)| HaynesaUoy Ы» 6 0.90 1.2 29,0 6 - 0.6 -
12 Colmoooy Ы» 4277 135 235 31.0 9.0 и 3.0
13 Colmoooy Nt 4278 1.05 235 31.0 - 7.0 0.8 3,0
14 СЫтопоу N» 4030 0.15 10.2 19,0 -
15 Tribaloy Т-700 - 3.4 15.5 323 -
16 К 1.2 13 30,0 12 15
17 Z 1.8 13 2.S.0 12 - 15
18 XN-93OC го 1.0 30.0 9 3
8. Сплавы на основе меди Из сплавов меди для наплавки используют алюминево же лезные и специальные оловянисто-фосфористые бронзы, об ла- характеристиками при эксплуатации в морской воЗе. Оловянисто-фосфористые бронзы Бр. ОФ5.5-О.Э, Бр ОФ08- 0.4 и Бр. ОФС6-0.4-16 служат для наплавки вкладышей подшипников; кремнистой бронзой Бр. КМц 3-1,5 шллоаляют уплотнительные поверхности клапанов и задвижек, работающих матрицы дтя глубокой вытяжки деталей из нержавеющей стали, червячные шестерни, кулачки. Применяют также сплавы марок Л62, Л90. БрАМу 9-2 и др. Наплавка производится проволокой или лентой ацстилено-кислородным пламенем или под слоем '
литых прутков. Ряд зарубежных фирм рекламирует самофлю-
сующнеся сплавы типа “НИХРОМ". Такие сплавы, как правило,
(Одержат 0.5-1,0% углерода; 2-5% железа.
В отечественной промышленности также разработаны и
производятся самофлюсующиеся порошкообразные твердые спла-
вы, которые предназначены для работы в условиях интенсивного
абразивного сшивания с умеренными ударными нагрузками, в
t или при повышенных темлратурах
(до 700’С).
Марки
дтя напыления прнве-
В ранее приведенных исследованиях слабо рассмотрены
вопросы образования микроструктур самофлюсующихся сплавов
состояния и трудностью расшифровки многокомпонентных сис-
тем. Анализ “Ni-Cr-B" и двойной системы “Ni-Si" диаграмм
состояния показал, что сплавы, содержащие 8-20 % хрома и
1,5-4,5 % бора, имеют в основном трехфазную структуру
0 - фаза борид никеля (Ni,B).
Растворимость бора в сплавах на основе никеля не превышает
борндных фаз. Углерод в этих сплавах
Cr-Cj или СгаС,. Кремний растворяется в пределах от 1,5 до
5%. В этих пределах кремний не образовывает самостоятельных
фаз. увеличение содержания кремния сверх 5% приводит к
ность хрома, что способствует образованию боридов, а при
кремнием. в процессе наплавки осуществляет дезоксидацию
сплава, образуя при этом боросиликатные шлаки, которые
обеспечивают защиту сплавов от взаимодействия с атмосферой
в придают сплаву свойства самофлихтования.
К достоинствам таких сплавов также следует отнести низкукт
температуру плавления и широкий интервал кристаллизации.
Говоря о свойствах промышленных наплавочных сплавов,
следует учитывать соответствующую марку сплава, обладающего
оптимальными для данных условий работы свойствами. Иногда
фазы сплава, хорошо сопротивляющиеся изнашиванию в одних
условиях, не пригодны для работы в других условиях. Важно при
сплава, их форма и расположение. высокая износостойкость
наплавленных сплавов во многом зависит от характера карбид/юй
женив. Для рационального легирования износостойких сплавов
важно знать влнятше химического состава на характер обра-
Рекомендации производству
Анализ данных, приведенных в табл. 4.13, позволяет техни-
чески грамотно выбрать состав, структуру и свойства надавлен-
ного металла, тип и марку электродов, проволоки и ленты при
электродуговой наплавке дтя различных условий эксплуатации.
В зависимости от условий эксплуатации деталей машин, вида
изнашивания, степеней динамичности действующей нагрузки и
других факторов нужно применять различные наплавочные
материалы (табл. 4.14).
гг ir Ji
I r F i s
I § ; i ।
i Й s H
I s I IH
If s 8 <? s
<? R h
pill ВД1 ;у|чнщ II
дэззш тН£ ’ 1 o' s 1
1 h 25 ЙИ1
b h ii iith Нт Й ii li
!| ll ihi ISilhh llilll
h 1 Й г I
Ml ll I
1L = ¥ i i L §
I is aS h 6x h
t 5 £ ii !
11
Резцы машин для мерзлых грунтов. зубы роторных машинке ОМГ(дли П0Г13Л). ОМП1. сормайтт 2 (ЦС-2) (без термической обработки), ПЛ-У25X25ГЗФЗ. МВТУ-1, МВТУ-2. 1Ш-11. 9IH-1. 12АН/ЛИВТ.
дробилок ударного действтк. бита шахтных мельниц, бандажи
ударного буреши. чердака драг а
Рабочее колесо и другое детали Сталинит М смесь), сормайт 1 (ЦС-1). ЛМ-20ХЮПОТ.
детали земснарядов, детали углесосов, различные детали насосного и трубопроводного
Усталостное Ковшовые цепи экскаваторов. ОЗН-400У; ЦН-5; Ш-1, ЭН-40.
роликов. оси каткой мостового крана, оси роликов роторных
Юшхтшж». Гильзы автотракторных строптелыюдорожных машин. ЦШ-1, Х-5. ЦН-4. НЖ-3, Ш-13.
машин и др.
измерительныхинструментов. ЭН-60М, 13КН/ЛИВТ,
машин,бандаж тГгалкопых К-2-55, ОЗН-250У; ОЗН’350У:
4^ЙТИНГ коррозии
силовых валов, концы рельсов, крестовины, катки бурильных
Корро,>,ои- ЦН-6, ЦН-8, ЦН-7. ЛМ-25Х25Н16ГИ. ЦН-2. ЦН-1. ЦН-3.
арматуры и других деталей, работающих при нормальной в повышенной температуре в
552
Таблица 4.17 • Классификация наплавочных сплавов по группам легирования, принятая ASM
1 ПРУ— (Хж^кпфую-ш-тх
!Л 24 1 Cr.Mo.Ma
>» 6-12 Cr.Mo.Ma
2А 12-25 Сг.Мо
2В 12-25 Мо. V, Сг
f 2С 12-25 Ma.NI
ад 30-37 Ма,Сг
ЗА 25-30 Cr. NI, Мо
ЗВ 25-50 W.Cr
зс 25-50 Со,Сг
Сплавы на осио&с никеле и кобальта
4А 50-100 C<bCr,W
4В 50-100 NKCr.B
4С 50-100 Cr.Nl.Mo, Со
Карбиды вольфрама в металлической матрице
5 75-96 WC + Co
Широкая номенклатура обусловлена многообразием условий износа и свойств металла наплавляемых деталей. Сплавы могут бить классифицированы по следующим признакам: химическому составу, структуре, свойствам, назначению, количеству леги- рующих элементов, группам легирования и т.д. Классификация металла (табл. 4.15), предложенная Американским обществом по испытанию материалов (ASTM), охватывает основные типы легирования сплавов на железной, никелевой и кобальтовой легирующим элементам и их количеству) приведена в табл. 4.17. 555
Диаграмма Шеффлера позволяет прогнозировать структур])
и свойства наплавленного металла при наплавке. Если извести»!
доля участия основного металла в наплавленном, го свойства
наплавленного металла иогао определить по диаграмме. Можно
решить также обратную задачу - выбрать состав сплава, когорт
металл с требуемой структурой и свойствами.
Так например, при электродуговой наплавке на конструкЩ
очную сталь I2X18H9T в первом слое может образовывать!
мартенсит. Во избежание этого нужно использовать мст<
наплавки, обеспечивающий минимальное проплавление основно!
металла (например, плазменную наплавку с токоведущей пром
локой) или применять сплав с более высоким содержанием хром
и никеля (например 24% Сг и 12% №). Тогда наплавленный
металл будет иметь благоприятную структуру, состоящую I
аустенита и нескольких процентов феррита, и хорошие свойств
Выбор износостойкого сплава основывают на следующя
характеристиках: свариваемости с конструкционной сталью,
служебных свойствах, технологичности при механической обра-
ки биметаллического соединения и экономических показателях
Поясним это на примере выбора электрода для изготовителе
ной наплавки штампа горячего деформирования: ковструкцноф>
ный материал - сталь 4Х2В5МФ, температура нагрева рабочих
кромок штампа - до 650'С, удельные давления на кромках - лл
1500 МПа. Требуе:
электроды ОЗИ-5.
угря па то, что электроды ОЗИ-5
более дорогие и содержат дефицитный кобальт, они являются
оптимальными для данного случая, так как обеспечивают
возможность закалки биметалла 4Х2В5МФ+10К18В11М10ХЗСФ
10. Флюсы
От свойств флюса зависят устойчивость горения электриче-
ской дуги, плотность наплавленного металла, отделимость
шлаковой корки, интенсивность выделение вредных газов. Капли
сом, а затем отделяются от него. При этом происходит химическое
взаимодействие: часть углерода, хрома, ванадия и других
элемеггтов, содержащихся в металле, окисляется и переходит в
шлак. Если флюс содержит большое количество марганца и
кремния, то эти элементы могут восстанавливаться и переходить
большое влияние на состав наплавленного металла. Для меха-
Мропаниой наплавки применяют флюсы трех типов: плавлен-
I». керамические (нсплааленныс) и флюсы-смеси.
МООтся флюсы марок АН-348-А, АН-!5, ОСЦ-45, АН-60. Их
«чип применяют для наплавки малоуглеродистых, среднеуглс-
^ых' оуглеродистых сталей. Флюсы этой группы обсс-
жаованню пор н удовлетворительную отделимость шлаковой
Жи, если металл не содержит ванадия, вольфрама и больших
1КИ). Дробленая шлаковая корка может быть использована в
тсстве добавки к флюсам в количестве 25%. В процессе
фмирования наплавленного валика отмечается при наплавке
К флюсом АН-60. Этот флюс обеспечивает и минимальное
фообразованис при наплавке. При использовании флюсов
СЦ-45 и ОСЦ-45М необходим источник постоянного тока (так
М обычные источники переменного тока (с напряжением
иостого хода 60-65 В) дают недостаточно устойчивую дугу).
2) Низкокремнистые безмарганцевые флюсы. К их числу
Мплавки высоколегированной стали с небольшим содержанием
Йргаяца.
3) Низкокремнистые марганцевые флюсы. К ах числу
Относятся флюсы АН-26 и др. Эти флюсы используют прс-
ешю для наплавки
щдержаннем маргпн Исключением является флюс АН-26,
оторый применяют и для наплавки хромоникелевых сталей
ясктродной лентой.
флюсов, широко применяемых при электрошлаковой наплавке,
к примеру флюс марки АНФ-1, содержащий 92% СаРе2 и 5%
SiOj. Достоинством этих флюсов является высокая электропро-
водность, определяющая их применение при электрошлаковой
наплавке. Однако технологические свойства этих флюсов, и в
первую оче
наплавленного валика,
При электрошлаковой наплавке легированных сталей приме-
дуги: этот флюс электропроводен в твердом состоянии, при
Керамические флюсы. Их приготавливают путем замешивания
на растворимом стекле как связующем материале смеси тонко
размолотых ферросплавов, минералов и химикатов, измельченном
тестообразной массы, сушки и прокладки крупки. Применяют
керамические флюсы марок ЖСИ-5, ЖСИ-6, ДНК-18, АНК-40
и др.
С целью экономии дорогостоящих легирующих элементов в
Уральском политехническом институте разработаны легирующие
флюсы, содержащие оксиды вора, хрома и других элементов.
новители - углерод, алюминий, марганец, которые, в основном.
Для термодинамической
эсти легированна
наплавленного металла хромом и другими элементами путем
мнкроЭВМ и проводится расчет равновесного распределения
при наплавке под кото)
Св-08А
должен получаться металл, содержащий: 1*2% углерода. 10*
входят: углеродистый хром ( - 75 % Сг и -12 %С), окяслы
вольфрама (- 20 % WO) и ванадия (- 15 % V2O3), а в качество
восстановителя - ферротитан и ферромарганец.
Наплавка под таким флюсом должна проводиться проволокой
Св-08А 0 3 мм на пластины из СтЗ в 6 слоев на следующем
JCT-330-350A, Ц-36-38 В. У„-Ц,5 м/ч
нли проволокой Св-08Г2С 0 2 мм на режиме:
полярность обратная.
Содержание легирующих элементов в наплавленном металле
находится в пределах, близких к расчетным: 0,8-1,7% С; 8-15%
01.5% W: 02-0,4% V.
Для структуры наплавленного металла с максимальным
содержанием хрома и углерода характерно наличие дендритов
аустенитан ледебуритной эвтектики. С увеличением количества
последней с 20 до 35% твердость повышается с HRC 33 до
39.
По мере уменьшения концентрации углерода и хрома коли-
чество ледебуритной эвтектики уменьшается, уменьшается и
структуре игл мартенсита.
углерода представляет собой мартенсит (с небольшим количест-
Юм остаточного аустенита) и ледебуритную эвтектику (8-12%).
Леиного металла с исходной аустенитной’ и аустенитно-мартен-
ситной структурой может быть повышена до HRC, 59-61 в
'Результате закалки при температуре 950*С. Для улучшения
(йврабатываемости наплавленных деталей может быть применен
отжиг (температура нагрева 950*, охлаждение с печью), который
приводит к снижению твердости до HRC, 20-27.
М Износостойкость наплавленного металла, определенная по
Штодике Хаворта-Бринеля, составляет 0,8-1,1 износостойкости
стали 200X12ВФ, принятой в качестве эталона.
Таким образом, изменяя состав керамического флюса, можно
менять структуру II твердость наплавленного металла системы
hcC-Cr-W в соответствии с условиями работы инструмента или
деталей.
Ю Разработанный легирующий флюс может быть использован
бульдозера, шнеков смесителей и
да»
других деталей, а также взамен проволоки ПП-200Х12ВФ.
Е, 11. Анализ составов и свойств наплавленного металла.
промышленных наплавочных материалов и рекомендации
Рассмотрим некоторые промышленные наплавочные матери-
алы с точки зрения рациональности их составов для применения
в различных условиях эксплуатации.
I Электроды ОМГ-4 имеют доэвтектический состав и отноше-
ние Сг/Св пределах 15-20. Без термической обработки структура
сплава состоит из мартенсита я перлита или сорбита и
небольшого количества карбидов. Износостойкость этого сплава
может быть повышена термообработкой - закалкой. Однако
сплавы могут применяться и без термообработки после наплавки,
если они работают при значительных ударных нагрузках, но при
умеренном образовании износа.
Электроды Т-590 имеют заэвтектич
количеством карбидов и боридов. Ра
с большим
Содержание углерода в сплаве должно быть около 2,2% если
сплав будет иметь более высокую износостойкость и сопротив-
ление ударам.
В электродах Т-620 содержание углерода не должно превы-
шать 2,5% массового состава материала порошковой проволоки
- состав проволоки ПП-У15Х17Н2 типа прутков ЦС-2 следует
Наплавленный металл должен хорошо сопротивляться ударам
и абразивному изнашиванию ПП-Х10В14. Наплавленный металл
содержит слишком высокое количество углерода. Оптимальное
содержание углерода при содержании 9% Сг и 14% W должно
быть - 1,6%.
В порошковой проволоке содержание хрома должно быть не
менее 15%. Доэвтектический состав этого сплава позволяет
применять его в условиях абразивного износа и незначительных
ударных нагрузок. Наибольшей удобной вязкостью обладает
сплав UI9X19H3 доэвтектического сплава.
Производительность некоторых методов наплавки приведена
в табл. 4.18.
Таблица 4.18
Производительность труда при различных методах
проведения наплавочных работ
3.5. Наплавка деталей машин
1. Наплавка деталей строительных и дорожных машин
ВНИИстроцдормашем разработан и внедрен метод мехапи-
рованной наплавки деталей строительных и дорожных машин,
четное определение температурных полей.
Наплавка деталей строительных и дорожных машин осущес-
твляется также под флюсом и в защитном газе, порошковой
Пмозащитной проволокой и лентой. Применяют также элект-
ршлаковую наплавку. Для наплавки коленчатых валов двигате-
сй внутреннего сгорания тракторов можно рекомендовать само-
ИЩитную порошковую проволоку ПП-НпЗОХ5Г2СМ.
Натяжные колеса гусеничного хода, опорные катки и ролики
ракторов следует наплавлять открытой дугой порошковой
Проволокой ПП-АН121. Звездочки гусеничного хода целесооб-
I розно наплавлять полуавтоматом порошковой проволокой. ПП-Нп-
ЙООХ15С1ГРТ.
) Ножи бульдозеров, грейдеров целесообразно также наплавлять
методом ВНИИСтроймаша на установке НДШ-1, применяя
ЯЮрошкообразнуюлегирующуюшихту. Расплавление наплавочной
смеси производится дугой ленточного электрода, горящей под
флюсом.
стся стыкошлаковая наплавка, в качестве электродов для
пластины из сплавов У30Х20М или У40ХЗОТ.
' ВНИИСТом и Институтом Машиноведения РАМ установлена
возможность применения для наплавки деталей землеройных
из них вводили бор): химический состав их приведен в табл. 5.1.
Таблица 5.1
Н-30
ШИ» С о NI в Мв мма ажхгкт
02Х20Н7 0.2 20.8 6.2 04 0.6 397 - ферршоперлктная.
10X19Н5 0.49 18.9 4.95 0,82 048 412 717 верил; эвтектики мало.
1ОХ2ОН5 04 20.8 4.9 0.8 0.62 534.6 Тоже
12Х25Н8 048 234 845 0.79 0.4 3534 534,6 зерна я эвтектике.
3OX5HS 0,49 5.4 7.9 0.78 0.61 434.4 464 мартенситным распадом в
30Х5Н7Р 0,49 4.25 64 0.21 0.8 0,6 402.6 900 зерна я эвтектике.
10Х20Н5 1.01 214 4.45 0,74 0.62 488.7 703.1 Неравномерная; зерна в эвтектике.
1ОХ2ОН8Р 1.06 214 745 0.98 0.78 049 407 953 аустенптносорбвтные верна
Износостойкость этих сплавов невысока (табл. 5.2). ' Таблица 3. Износостойкость сплавов
—— i, Н/м фи мммфмура. *С
-» -« -« ♦»
О2.“-7УН7 46.2 47 12
10Х19Н5 34.5 35.5 47 !S
1OX2OHS 47,5 47Л 16.8
12X25118 41Л 40.9 49 15
ЗОХ5Н8 18,5 15.0 142 48 19
2ОХ5Н7Р W 043 4.9 2.5 1
10X20115 21.6 6.9 - 25.5 17
1ОХ2ОН8Р 10 35
I2X3OH1O 14.2 15.5 - 20 20.7
2X3 ОН 20 14.2 15 18.3 1S
20X30113 2.9 3 17,5 25
10Х6Н7 4.8 5 8.3 19
Большинство быстроизнашиваюшихся деталей, в том числе детали строительных машин, работающих в средней полосе 1 тем более в районах с мерзлыми грунтами, упрочняются язностойкнм наплавочным слоем (50x20 Н5, 50x6 Н8, 120x20 Н5, 200x30 НЗ, 60x2 См, 120В13Х15Ф и др.). Сопротивляемость действию ударных нагрузок определяете» I. Для работы в условиях отрицательных температур при 1 наличии абразивного изнашивания и ударных нагрузок следует применять наплавочные сплавы, отвечающие следующим услови- должна быть не мене 2,2 Н/м • 10* Дж/м2; 2) в структуре наплавляемого слоя и зоны сплавления не допускается наличие мартенсита (см. табл. 5.3). Применяется алектроиаплавка новыми сплавами, разработан- ными автором, (содержащие 1.5% С; 5%V; 4% Cr,7%W;2%Mo) 564
ковшей
тлля фаза представляет собой нераспавшийся аустенит н
Югдц прерывистой сетки. Благодаря такому своеобразию ее
юспня, ледебуритная эвтектика нс толко пс ухудшает эксплу-
I равном химическом составе, имеют в сравнении с кованными
Микроструктура и ударная вязкость наплавочных сплавов и
м их сплавления со сталью 09Г2 представлены в табл. 5.3.
[ 2. Наплавка деталей сельскохозяйственных
и других машин
при непосредственном контакте с
: износостойкости таких деталей
Повышение износостойкости деталей, работающих в усяови-
Мпосредственного соприкосновения с грунтами, в большинстве
или псеедосплавом. До сих пор заводы сельскохозяйствен-
машиностроения выпускают свеклокомбайны с рабочими
нами, изготовленными нз легированных сталей, которые в
виях трения о грунт дают невысокую износостойкость.
Выстой стали 65Г. В виду их недостаточной стойкости диски 2-3
пза в течение смены подвергаются заточке, что значительно
I снижает производительность труда при свеклоуборочных работах.
I Активные дисковые ножи свеклокомбайна СКН-2 претерпе-
* воют интенсивный взнос в абразивной среде. Положительные
результаты упрочнения дисковых ножей свеклокомбайна СКН-2
дадут возможность применять упрочнение и па ботвосрезающих
Ножах свеклокомбайна типа СКЕМ-3. Быстрое изнашивание
грунт.
Производственное испытание дисковых ножей свеклокомбай-
пов, наплавленных электродами марок Т-590, ХР-Ю, ОЗИ-1,
' ВСН-6 и “Сормайт-1”, показало, что ножи режущего аппарата
с марками наплавленного слоя Т-590, ОЗИ-1, ХР-19 и ВСН-6
значительно работоспособнее ножей с наплавкой "Сормайт-1”,
но требуют увеличения вязкости сплава и усовершенствования
исслсдования износа наплавленных образцов. Наплавка режущих
дисков свеклоуборочных комбайнов указанными сплавами
осуществляется алектродуговым способом. Наибольшей износо-
стойкостью при абразивном изнашивании о песчаный грунт
Т-590. Дисковые ножи свеклоуборочного комбайна СКН-2 изго-
толщиной 2 мм зачастую прожигается, а нож вследствие малой
толщины стенок изгибается.
Для упрочнения дисковых ножей свеклоуборочного комбайна
СКН-2 был также использован способ электроискрового упроч-
упрочнения рабочей зоны дисковых ножей применяется аппарат
ЦНИИТМА1П типа ИАС-2 М. Этот аппарат отличается от
(до 600 мкФ). При его использовании можно получить глубину
упрочняющего слоя от 0,1 до 0,4 мм и достаточно высокую
производительность до 8 см!/мин. Аппарат ИАС-2 подключается
к сети переменного тока напряжением 220 В. Аппарат снабжается
электромагнитным вибратором, который необходим для получе-
ния искровых разрядов между электродом и деталью. При
седснового выпрямителя, а электрод укрепляется на конец
вибрирующего рычага вибратора и гибким проводом соединяется
с плюсовой клеммой аппарата. При сближении вибрирующего
электрода с деталью между ними возникает искровый разряд.
Под действием униполярных импульсов искрового разряда про-
исходит оплавление и испарение небольших участков электрода
и детали н одновременно перенос материала электрода на деталь.
Перенесенный материал электрода, смешиваясь с оплавлен-
ным металлом детали, образует диффузионный легированный
слой на ее поверхности, прочло связанный с основным матерн-
в зове разряда 10- О’ - 11- IO3*© материал электрода
диффундирует вглубь детали, и под легированным слоем полу-
чается диффузионный подслой. Поскольку искровому воздейст-
вию подвергаются чрезт
окружен-
дения происходит интенсивная закалка нагретых участков.
Поэтому, как легированный слой, так и образующийся подслой,
имеют повышенную твердость по сравнению с основным метал-
• лом. Схема аппарата позволяет достаточно гибко регулировать
режимы обработки и получать упрочненные слои заданной
толщины. С целью увеличения глубины упрочненного стоя и
| производительности процесса, при упрочнении дисковых ножей
свеклокомбайнов СКН-2 применялся рабочий ток 1=50-60 А. В
абразивной среде наплавочные материалы: КБХ, Т-590, ВСН-6,
ОЗИ-1 и Т15К6. Ширила упрочнения равна 25 мм, глубина
коробления при наплавке и:
ножи свеклокомбайна СКН-2
сплавов на дисковые
: Установлено, что паплавка различными сплавами режущей
кромки ножа увеличивает износостойкость: смесь КБХ в 6,27
раза; Т-590 в 3,65 раза; ВСН-6 в 2,3 раза; ОЗИ-1 в 2,12 раза
по сравнению с нсиаплавленными ножами, изготовленными из
Трудность выполнения качественной наплавки дисков обус-
ловлена их габаритами и сложной геометрической формой.
Диаметр дисков составляет 400 мм, а толщина всего 2 мм,
поэтому возможно коробление дисков или их прожог.
Автором установлена возможность наплавки дисков на уста-
новке для аргонодуговой сварки типа УДАР-300 неплавящимся
качестве присадочных материалов
серебрянки марки Р9 диаметром 2-3 мм, а также крупку комплек-
сного карбида W, V, Т. и Сг. сцементированного кобальтом с
размером кристалликов от 0,2 до 4 мм. Наплавке нужно
10-15 мм, высота наплавки должна быть 0,7-0,9 мм.
Возможны 3 варианта армирования: I) сормайтом, 2) сереб-
рянкой Р9 и 3) сормайтом с вплавленными в пего зернами
комплексного карбида. Ось горелки нужно располагать под углом
60* к горизонтам, ось присадочного прутка под углом 15". С
целью уменьшения вероятности коробления и прожога диска
наплавку нужно производить на медтешюй подкладке (толщиной
5 мм), имеющей форму сегмента. Наплавка получается кочсст-
венная без коробления и прожогов диска. Обусловлено это тем,
что при аргонодуговой наплавке образуется тепловой поток, а
металла дуга должна направляться главным образом на приса-
дочный пруток.
Окончание наплавки нужно производить при плавном умень-
шении величины силы тока. Недопустимо при окончании наплав-
прн этом образуется кратер, а отвод горелки от кратера приводит
к ухудшению газовой зашиты, увеличению окислешюстн металла
кратера.
Влияние режима наплавки на глубину проплавления основного
металла и степень перемешивания его с наплавленным металлом
весьма существенна
При увеличении сварочного тока на 33% глубина проплав-
ления увеличивается в среднем на 90%, скорость наплавки
возрастает на 50%, т.е. в большей степени, чем ток. С
увеличением напряжения на дуге степень перемешивания и
глубина проплавления уменьшается,
наплавленного металла. При увеличг
Следоватсльно, для минимального перемешивания и проплав'
пения следует применять:
2) Максимальные напряжение на дуге и скорость наплавки.
Наплавленный металл отличается высокими механическими
свойствами. Высокие качества металла, наплавленного аргоно-
дуговой сваркой, обусловлены следующими факторами-.
- полной зашитой паплавлешюго металла присадочного
прутка от окружающей атмосферы воздуха, что предупреждает
интенсивные окислительные вредные рекации,
- высокой тепловой мощностью дуги, обеспечивающей боль-
шую скорость и производительность наплавки. Ско|юсть аргоно-
дуговой наплавки в 2,5 раза выше, чем при электродуговой, при
меньшем проплавлении и большей твердости наплавленного
Зона термического влияния при аргонодуговой наплавке
получается
чем при ацетилеио-кислород-
нога влияния инертного газа в металлургическом отношении, он
создает особые условия для протекания электрофизических
чивостн дуга, что особенно важно при наплавке, так как
обеспечивает повышенные свойства наплавленного металла. Кро-
ме того, при аргонодуговой наплавке имеет место меньшая
интенсивность излучения, обусловленная меньшей температурой
>жво применение более
столба дуги.
светлых защитных стекол, что облегчает сварщику наблюдение
вка указанными сплавами дисков свек-
обсспечиваст увеличение их стойкости
Применяется наплавка катков гусениц тракторов предложен-
ными автором электродами. Они отличаются «дефицитностью
вается из обычной низкоуглеродистой сварочной проволоки, в
состав обмазки которой входят графит, ферромарганец, ферро-
силиций и мел.
В процентном соотношении состав обмазки следующий:
ферромарганец
ферросилиций
- 20%
- 50%
-5%
- 100%
Ферромарганец и графит определяют химический состав
полученного в |
на; ферросилиций вводится как раскислитель, а мел для
обеспечения шлаковой и газовой защиты наплавленного металла.
Поверхность детали, подлежащей наплавке, зачищается до
9-10 % Мп; 2,3-2,5% С.
дергаются закалке. Структура иа-
Высокомарганцевнстая сталь, закаленная на аустенит, обладая
хорошей износостойкостью при воздействии нагрузки, создающей
наклеп на поверхности детали, хорошо сопротивляется абразив-
порошковой проволокой марок ПОУ 10Х4Г2Л, Пн-ЗОХГСА,
Пн-2Х13. Наплавка
тракторов
производится проволокой марки Св-ЗОХГС А диаметром 2 мм под
флюсом АН-20 или АН-343-А.
сила тока, А
напряжение дуги, В
скорость перемещения дуги, м/с
240-260
24-26
40x0,017
Вылет электрода не должен превышать 20-25 мм. Смещение
Толщина слоя наплавки - около 3 мм в один слой при
односторонней наплавке. Твердость наплавленного металла без
термической обработки равна 300-320 НВ. Износостойкость
восстановленных таким способом роликов в 4-5 раз больше, чем
наплавлсш1ых электродами с меловой обмазкой и мало облича-
ется от стойкости новой детали (опорные ролики изготовляются
из стали марки 45 или 40 D.
При наплавке лемехов используются дешевые сплавы,
(полуавтоматическая) наплавка с применением пропан-кислород-
ного пламени производится по двум схемам:
а) механизированной подачей порошка и ручного пере-
мещения горелки;
6) механизированной подачей наплавочной горелки с предва-
Применяются разработанные автором электроды для наплавки
Стержень электродов изготовляется из обычной малоуглеро-
дистой сварочной проволоки, в состав обмазки входит грифит,
ферромарганец, ферросилиций и мел.
автором, следующий:
графит
ферромарганец
ферросилиций
Для сохрг
-20%
- 50%
-5%
-25%
- 100%
1НЫХ размеров после
наплавки на поверхности ножа кабелеукладчика, подлежащего
наплавке, подготавливается место под наплавку, по величине
ширины полосы на 3-5 мм больше соответствующей на наплав-
ляемой поверхности. После получения слоя сплава нужной
по ширине кабелеухладчи-
ка. Кабелеукладчики с наплавленными ножами показали п<
шение эксплуатационной стойкости таких ножей в 4-5 pi
сравнении с цельнометаллическими.
Применяется также индукционная наплавка сормайтом.
тайной автором, следующего состава:
Феррохром
Ферромарганец
Ферросилиций
Палевой шпат
Плавиковый шпат
Мел
- Ю%
- 30%
-5%
-5%
- 15%
- 15%
- 20%
- 100%
В НИИ АТе разработаны способы автоматической наплавки
деталей из высокопрочного чугуна, в том числе автомобильных
калеичатых валов, повышающие качество отремонтированных
Сущность рассматриваемых здесь двух методов следующая:
тонкостенную предохранительную накладку для защиты основ-
ного металла от прямого воздействия дуги и образования
Для получения твердого износостойкого наплавленного металла
наплавку производят под легирующим флюсом малоуглеродистой
При втором методе наплавка производилась открытой дугой
непосредственно по чугуну. Для наплавки применялась малоуг-
леродистая проволока, в состав которой входят активные вещее-
водорода на качество наплавленного металла. Наплавка произ-
водилась в азотно-кислородной среде при подаче газовой смеем
в дугу через сопло типа сопла Лаваля. Скорость истечения струи
10 м/сех. Расход охлаждающей смеси 100-120 л/мин. Химический
состав наплавленного слоя: 1,1% углерода, 0,95% кремния,
0,85% марганца, 0,07% титана и 0,07% хрома. Этот способ
отличается простотой. Шлифование шеек перед наплавкой не
и шлифование их под минимальные размеры.
По технологии, разработанной в Саратовском политехниче-
ском интституте, коленчатые валы наплавляют проволокой
ПП-НП-40Х4Г2СМНТФ под флюсом АН-15М. По технологам,
разработанной в Казахском НИИ
х-о транспорта,
валы наплавляются пружинной проволокой диаметром 1,6 мм
под флюсом АН-348-А.
Пример. Наплавка валков трубопрокатных станов.
по калибру снимают слой
металла толщиной 5-6 мм, после чего производят наплавку
порошковой проволокой ПП-Нп-35В9ХЗСФ под флюсом АН-20С.
напряжение на дуге, В
скорость перемещения дуги (окружная
скорость вращения валка), м/ч
280-310
26-30
36-42
предварительный подогрев валка
до 370*С
После наплавки валок выдерживают при т-ре 370*С в течение
20 мин, затем охлаждают в утепленном коробе в течение 16 ч.
После механической обработки валка следует отпуск (выполня-
емый при помощи индукционного нагрева) и замедленное
охлаждение.
При разработке тех. процесса автомат
Таблица 5.4
Ориентировочные режимы автоматической
наплавки под флюсом
Абразивный износ рабочих органов машин - особенно острая
проблема мйЬгнх отраслей литейного машиностроения. Большое
количество машин в литейных цехах работает в условиях сильной
запыленности н непосредственного контакта с абразивными
средами: формовочными и стержневыми смесями, чугунной и
стальной дробью, песком, углем и др. В результате абразивного
изнашивания срок службы ряда деталей измеряется часами. К
ним относятся отвалы, скребки, бегуны, ковши, сопла и дуги
пескометов, лопатки дробеметов. сопла дробеструйных камер и
т.п. Рациональное использование дорогостоящих легированных
материалов для изготовления рабочих органов подобных машин
заключается в применении биметаллических деталей, основа
которых выполнена из .
ях материалов,
поверхностный слой представляет собой износостойкий сплав.
Такие детали можно изготавливать методом наплавки. При
разработке автором новых наплавочных сплавов учитывалось,
что для обеспечения сплавов необходимым комплексом различных
свойств (твердостью, прочностью, пластичностью и износостой-
костью) , в них следует вводить несколько легирующих элементов.
Например, для увеличения прочности наплавляемых сплавов в
них вводили легирующие элементы, имеющие малый удельный
объем карбидной фазы-, для повышения износостойкости вводили
легирующие элементы, вызывающие дисперсионное твердение
(выделение твердых дисперсных частиц по границам зерен).
Применяются две группы сплавов, разработанных автором.
Состав сплава первой группы базировался на трех легирующих
качестве дополнительных компонентов, влияющих на повышение
износостойкости, в сплавы вводили ниобий (1,6%), азот (0,3%)
и бор (0,16-0,4%).
Ниобий измельчает зерно, оказывает благоприятное влияние
ив распределение твердого раствора внутри и по границам зерна,
увеличивает равномерность распределения карбидов. Азот, час-
тично присутствуя в дисперсных карбоиитрцдных фазах, способ-
ствует мелкозернистости сплава. Обусловленное присутствием
азота выделение нитридов усиливает эффект дисперсионного
твердения, что приводит к повышению твердости сплавов.
Одновременное введение азота и ниобия приводит к образованию
малорастворнмых нитридов ниобия, также приводящих к измель-
чению зерна. Присутствие бора увеличивает легированность
обеспечивав образование комплексных карбидов, обусловливает
повышение износостойкости сплавов. Поскольку карбиды вызы-
вают хрупкость сплава, не уменьшав общего количества карбид-
ной фазы, сократить ее удельный объем. Это достигают введением
ванадия, ниобия, молибдена, карбиды которых имеют удельный
Твердость сплава первой группы HRC.-66.
Сплавы второй группы отличались повышенным содержанием
жащис около 7% вольфрама, 4% хрома при переменном
содержании углерода и ванадия. Влияние углерода изучали в
интервале 1-1,7% при постоянном содержании ванадия. С
повышением содержания углерода износостойкость повышалась.
Было принято постоянное количество углерода, равное 1,5%.
Влияние ванадия изучали в интервале 2,5-2,7 % при указанном
содержании углерода (1,5%). С увеличением содержания воль-
фрама от 2,47 до 5.19% твердость повышается от 52 до 65
HRC, и снижается количество остаточного аустенита, а также
происходит резкое повышение температур мартенситного пре-
вращения. При
5,19% твердость
сплава падает. В результате установлено, что при введении в эти
сплавы 5% ванадия и 1,5% углерода достигается оптимальное
соотношение твердости и прочности, что и обеспечивает их
высокую износостойкость.
Твердость сплава второй группы HRC, - 69, а микротвер-
дость его темной и светлой структурных составляющих
колеблется в пределах HV 849-882, достигая для карбидной фазы
HV 1524. Тонкая ледебуритная сетка и светлая структурная
составляющая,
сплавам,
образуют весьма твердые поверхности, обладающие высокой
износостойкостью в условиях абразивного изнашивания. Темная
структурная составляющая сп
схеме. Лучшие результаты даст
мела 31%,
28%, плавикового шпата 12%,
полевого шпата 29%. Компоненты защитной обмазки перед
нанесением на электрод прокаливать при т-ре 200'С в течение
2-3 часов. Для наплавки сплавов на малоуглеродистые в
нагрева не требуется. При
этом выгоднее основу детали изготовлять из малоуглеродистой
стали, a ne из легированной, так как стойкость такой детали
определяется только качеством наплавленного поверхностного
слоя. Возможно также наплавка чугунных литых деталей, причем
лучшее качество наплавки получается при предварительном
на участке наплавки происходит перекристаллизация основного
металла с образованием зоны термического влияния. При
предварительном подогреве основного металла это влияние
уменьшается. Кроме того, предварительный подогрев чугуна
предотвращения отбела.
Оллниимьный режим наплавки этими электродами от сва-
рочного генератора СМГ-26:
головки А-1640 с системой принудительного охлаждения, смете- л
мой удаления и разделения отработанного флюса, установкой
очистки сварочной проволоки в электролите.
Для восстановления прокатных валков стана НШС-2000 I
наплавку целесообразно производить стандартными легирован- <
ными C-Cr-Мо-проволоками сплошного сечения под малоактио-
Технологией восстановления
ется две схемы наплавки. Валки, имеющие в результате изнаши-
вания диаметр, близкий к минимально допустимому, восстанав- ’
местное выкрашивание при достаточно большом диаметре, вос-
1вкой по дефектному месту.
Наплавка опорных валков производится расщепленным элек- ’
тродом-проволоками 10X11ВНМФ+30ХГСА, обеспечивающими
твердость наплавленного металла HRC, 32-44. Износ восста-
раза меньше но сравнению со стандартным валком.
Электрошлаковая наплавка чугунных прокатных валков
штрипсового стана осуществляется на комбинате “Криворож-
Учитывая большой износ, а также технологические сложности
применяется способ электрошлаковой наплавки электродом-тру-
бой. Использование тохоподводящего кристаллизатора и литой
чугунной дроби расширило технологические возможности разра-
ботанного способа. На базе аппарата А-550 разработана и
применяется промышленная установка ОБ 2217 для электрошла-
ковой наплавки прокатных валков с гладкой бочкой (или с
неглубокими врезами) диаметром до 520 мм и длиной до 1200
мм при общей длине валка до 2600 мм и массе до 2500 кг.
Наплавка осуществляется следующим образом. Бочка изно-
шенного валка перед наплавкой механически обрабатывается
для удаления трещин разгара. После механической обработки
резанием валок подогревается в электропечи в течение 3-4 ч до
т-ры 300-350*С я устанавливается вертикалью в поддон
наплавочной установки. Затем установка приводится в рабочее
положение-. кристаллизатор опускается в стартовое (нижнее)
положение, зазор между затравочным кольцом и стенкой кри-
сталлизатора закрывается асбестовым шпуром. В тигле-ковше,
расположенном непосредственно у кристаллизатора, расплавля-
етсяпорцияфлюса, которая заливается в кольцевой зазор между
наплавляемым валком и стенкой кристаллизатора. При подаче на
шлаковую ванну сварочного напряжения и прохождении через
► После 5-10-минутного дополнительного подогрева шлаковой
пл иной бочки наплавляемого валка и очистки ее поверхности от
окнелов включаются дозированная подача дроби н механизм
I U„ 65-85 В, U = 25-30 В, J = 9 ♦ 05 кА, производительность
-наплавки 90-120 кг/ч.
. На один валок с диаметром бочки 520 мм и длиной 550-600
мм штрипсового стана расходуется от 200 до 250 кг дроби, время
г'наплавки составляет примерно 2,0-2,5 ч. Толщина наплавленного
Слоя - 30-40 мм.
Г При наплавке используют флюс АН-65 и чугунную низколе-
(нрованнуюхромоникелевую (0,4% Сги 1,8% №)или хромистую
(18% и 25% Се) дробь фракции 1,5-4,0 мм.
Процесс .
гея при выходе шлаковой ванны
за пределы верхнего торца валка на водоохлаждаемое выводное
Применение установки УПН-303 расширяет возможности
урегулирования термического цикла наплавки благодаря возмож-
Мости выполнения поперечных колебаний плазмотрона. Измене-
ние шага колебаний позволяет многократно возвращаться к ранее
Чпплавлениому слою для подогрева зоны наплавки и своеобраз-
ного термоциклироваяия ранее наплавленных валков и основного
металла. Это предполагает возможность предотвращения трещин
при наплавке чугунных прокатных валков чугунным порошком
' при умеренной температуре подогрева.
I Украинским научно-исследовательским институтом металлов
совместно с рядом металлургических предприятий страны разра-
ботана и применяется i
зредназт
' <1ля плазменно-порошковой наплавки, для монтажа на серийно
^выпускаемое вальценаплавочнос оборудование и состоящая из
Г Плазмотрона, колебателя, двух питателей и шкафа управления.
Г" Технические характеристики установки:
поминалышй ток дуги прямого действия, А
номинальный ток косвенной дуги, А
'Производительность наплавки, кг/ч
грануляция порошка, мкм
амплитуда поперечных колебаний плазмотрона, мм
частота поперечных колебаний, мин'1
500
500
3-35
100-600
20-100
0-60
Установка смонтирована на Днепропетровском заводе
Им.Петровского. Наплавка валков стана 800 порошковой прово-
локой ПП-Нп-25Х5ФМС производства НПО “Тулачермет" по-
машин и оборудования,
стали не склонны к трс
шую износостойкость после старения.
Увеличение стойкости ножей агрегатов для резки тонкого'
листа и снижение затрат на их изготовление - важная для
металлургической промышленности задача, актуальность которой
обусловлена увеличением объема производства холоднокаттюго
сталей, высокими требованиями, предъявляемыми к качеству
реза, а также дефицитом инструментальных сталей.
Одним из способов повышенна долговечности ножей является
наплавка из режущих кромок инструментальными сталями и
ниже т-ры 400'С.
В ИЭС нм.Е.0. Патона разработана и применяется на
рорежущей стали 10Р6М5. РаЗ|
на обеспечении термического цикла наплавки, отличающегося
высокой скоростью охлаждения наплавленного металла в высо-
котемпературной области, благодаря чему достигается сдержива-
ние диффузионного распада аустенита и получение высоколеги-
рованного износостойкого мартенсита.
пературный градиент процесса 50-100'С/с с последующим его
замедлением до 1-5*С/с в интервале температур мартенситного
превраще>шя. При этом обеспечивается получение мелкозернп-
стой (баллы 11-12)
I наплавленного металла
с твердостью HRC, 59-61. Благодаря фактору объемных мартен-
ситных превращений, снижается уровень растягивающих напря-
жений, следствием чего оказывается, что трещин в наплавленном
повышается до HRC, 64-66. Для заготовок ножей толщиной
6-12-20 мм благоприятный термический цикл наплавленного
•Нср г
величины погонной
В Наплавка тонких ножей (8“3-10 мм) может осуществляться
' только с использованием припуднтельногоохлаждениязаготовок.
I, Плазменная наплавка ножей производится на установках,
укомплектованных аппаратом А1756 конструкции ОКТБ ИЭС
им.Е.О. Патона. В зависимости от типоразмера наплавляемых
100-250 Л, подача порошка - 20-50 г/мип, время наплавки одной
стороны заготовки - 6-15 мин. Расход аргона во всех случаях
одинаков и составляет около 20 л/мин. Присадочным материалом
служит порошок марки ПР-10Р6М5 ТУ 14-127-130-80 фракции
80- 200 мкм. Обрабатывают наплавленный слой шлифованием.
Наплавленные по разработанной технологии дисковые ножи
0 206 « 10 им прошли испытания на Новолипецком металлур-
гическом комбинате при резке электротехнической стали
толщиной 0,35 мм. Их стойкость более чем в 6 раз превысила
. стойкость ножей из стали Х12Ф1.
По данным Череповецкого и Новолипецкого металлургиче-
ских комбинатов в результате внедрения плазменной наплавки
стойкость дисковых ножей диаметром 287 х 20 мм увеличена в
2-3 раза. Успешная промышленная проверка технологии плаз-
рекомендовать разработанный технологический процесс для ши-
рокого промышленного освоения.
Одной из причин, усугубляющих износ режущих кромок
обрезных штампов, ножей обжимных, сортовых и изготовитель-
ных станов, является сильный перепад температуры в рабочей
зоне инструмента. Махсмально (при т-ре 850-950'0 нагрева-
ются контактирующие с заготовкой поверхностные микрообъемы
наплавок металл переменного состава па режущие кромки
металлургического инструмента. В качестве подслоя толщиной
15-20 мм наплавляют недефицитные хромовольфрамовые или
хромомолибденовые стали, обладающие жаропрочностью до т-ры
600'С, а для наплавки поверхностных слоев толщиной 2-4 мм,
непосредственно контактирующих с горячим металлом, исполь-
зуют более стойкие сплавы на основе никеля или кобальта.
При наплавке углеродистого никелевого сплава лучшие
показатели получены при подслое, наплавленном проволокой
ПП-АН132.
Обеспечение композиционного наплаазениого металла на
участках металлургического инструмента, в которых имеется
существенный перепад рабочих температур, позволяет в 1,8-2,0
раза увеличить его износостойкость и повысить качество продук-
Порошковые проволоки для наплавки тяжелонагруженного
инструмента для обработки металлов давлением содержат, как
н дефицитных
правило, значительное ко
легирующих элементов. В связи с этим применение дешевых и
обеспечивающих высокую стойкость инструмента порошковых
проволок является актуальной задачей. Применяется еамозащит-
ная порошковая проволока, удовлетворяющая указанным требо-
ваниям. Проволока по составу шлако-газообразующих компонен-
тов относится к рутил-флюорит-карбонатному типу.
наплавленного металла, удовлетворяющий поставленным требо-
ваниям: 0,35-0,40%С, 8,5-9,5%Cr, 3,5-4,0%Ni. 1,65-2Д5%Мп.
0,27-0,34%Si . 2.17-2.25%V, 0,17-0,25%Ti , 0.44-0.55М, РЭМ
>,008 %.
дугой присвоена марка ПЛ-40Х912НЗФ2ТР-0.
Рекомендован следующий режим термической обработки:
отжиг при т-ре 870*С с замедленным охлаждением (50*С/ч),
обеспечивающий твердость наплавленного металла HRC 20.
закалка при т-рах 990-1000'С и отпуск в интервале рабочих
температур прессового инструмента 550-600’С. Твердость на-
плавленного инструмента после закалки и отпуска HRC, 46-50.
Наплавка прессового инструмента производилась с подогревом
до ЗОО'С на постоянном токе обратной полярности на следующем
280-320
24-26
20-24
При наплавке крупного инструмента для снижения склонности
к трещинам наряду с предварительным подогревом производится
наплавка подслоя из аустенитной стали 10Х18Н9.
порошковой проволокой ПП-40Х912НЗФ2ТР-0, в 2,6-3,2 раза
выше стойкости втулок, изготовленных из стали 38ХНЗМФА, в
1,4-2,7 раза выше стойкости втулок, наплавленных порошковой
кой ПП-0Х6Х8М7С,
20Х4В10Н4ФТ-0 и в 1,1-1,2 раза выше стойкости втулок,
наплавленных порошковой проволокой ПП-40Х12ГВ4ФТ-0.
| Для механизированной наплавки инструмента, работающего
указанных температурно-деформационных условиях, в Инстн-
I ПП-Нп-80Х8М2ФСТЦР <ПП-АН155М) ТУ ИЭС 591-86. На-
j серийном оборудовании. В зависимости от размеров наплавляе-
ммх деталей параметры режима наплавки порошковой проволо-
F кой диаметром 2,0-2,2 мм выбираются в пределах:
J =160-220А. U, = 20-24 В. V_= 100-135 м/ч, V, - 15-18 м/ч.
f Наплавку выполняют с предварительным подогревом до т-ры
' 250-300'С При таких режимах коэффициент наплавки состав-
ляет 11,5-12,5 г/А. ч, коэффициент разбрызгивания 3-4%,
ГЙроизводительвость наплавки 4-5 кг/ч.
Г Микроструктура металла, наплавленного порошковой прово-
локой ПП-АН155М, состоит из бейнита, аустенита, мартенси-
та и небольшого количества карбидной звтектики. Твердость
его HRC, 56-58, после отпуска она повышается до HRC, 58-60.
' Для улучшения обрабатываемости наплавлешюй поверхности
детали отжигают (850-900‘С, 3-4), в результате чего их твердость
снижается до HRC, 30-35, а после мехобработкн закаливают
| (1100-1250'С и в масло) и подвергают отпуску (650'С; 2 ч).
I Твердость наплавленного металла после такой термообработки
I (52-55 HRC,) несколько меньше, чем после наплавки и отпуска,
•по обусловлено снижением легированности аустенита при на-
греве под закалку.
emu штамповых сталей и наплавленного металла дали сле-
дующие результаты:
спль 4Х5МФС - износ A G = 170мг, термостойкость Nt=25O
цикл., HRC, 46-50.
сталь 5ХНМ - AG= 180мг, Nt = 240цикл., HRC, 38-50.
СтажЗХЗМЗФ - AG = 210mt. Nt =150цикл., HRC, 45-48.
наплавленный металл типа 80Х8М2ФСТЦР - AG = 55 мг, Nt
= 5 ияхл., HRC, 56-58.
то же после отпуска 550'С 2ч- AG = 45mt, Nt = 5 цикл.,
HRC, 58-60.
то же после отпуска 700...750*С 2 ч - АС = 200мг, Nt = 350
цикл., HRC, 40.
Технический ресурс наплавленных валков, ножей и других
инструментов в 4-6 раз выше, чем у нешшлавленных из сталей
4Х5МФС, 5ХНМ я ЗХЗМЗФ.
Применение самозащитной порошковой проволоки ПИ-
АНИЗМ обеспечивает механизацию процесса изготовительной к
восстановительной наплавки инструмента, рост производительно-
сти процесса наплавки, улучшение условий труда, повышение
долговечности инструмента я значительное сокращение затрат
па его изготовление.
Разработана технология и оборудование для наплавки рабочего
слоя роликов прокатных станов.
Разработана и применяется наплавка валка окалиноломателя
стана горячей прокатки листа.
Изношенные ролики следует наплавлять хромистыми анти-
коррозионными сталями, содержание 13-17% хрома, 0,15-0,20%
Для реализации этого в ИЭС им. Е.О. Патона разработаны и
применяются порошковые проволоки марки ПП-Нп-2ОХ17 (ПП-
АН161), ПП-НН-15Х13 (ПП-АН159) и ПП-Нп-15Х14М (ПЛ-
АН! 62).
Ролики нужно наплавлять под флюсом АН-26П в 3-4 стоя
по винтовой линии или
ей одной и двумя
проволоками (расщепленным электродом). Предварительный по-
догрев при т-ре 150-200‘С, отпуск после наплавки при т-ре
450-500’С в течение 3-5 ч с последующим замедленным
охлаждением.
Наплавленный металл типа 15X13 и 20X17 обладает наи-
большей термической выносливостью, износостойкостью, а также
хорошо противостоит коррозии. Глубина трещин, образующихся
ПП-Нп-!5Х13 и ПП-Нп-2ОХ17, в процессе их эксплуатации, нс
превышает 5 мм, что существенно уменьшает объем как
механической обработки перед повторной наплавкой, так и самой
наплавки.
Для увеличения срока службы засыпных аппаратов доменных
печей применяется широкослойная наплавка контактных повер-
хностей конусов и чаш с возвратно-поступательным перемещена
ем электродов на ширину наплавляемого слоя. При этом электрод
перемещается вдоль образующей наплавляемой конической по-
верхности, останавливаясь в крайних положениях на время,
необходимое для поворота изделия на шаг наплавки. Режим
благоприятный термический цикл, при котором нет отколов
наплавленного металла, и позволяет наиболее полно реализовать
лсктоваштых
на установках У50 и У75, укомп-
шпаратами А-1640.
устройство СУ-213, в котором в качестве цифрового датчика
перемещения применяется измерительный преобразователь кру-
вслнчииу отклонения реального перемещения от заданного
благодаря учету корректирующего сигнала.
В подающем механизме аппарата А-1640 электродвигатель
постоянного тока заменен на асинхронный, что обеспечивает
стабнлыюсть скорости подачи ;
толщину наплавленного слоя.
и равномерную
Для наплавки конусов и чаш взамен порошковой ленты
ПЛ-АНШ разработана н применяется более дешевая и техно-
логичная порошковая лента ПЛ-АН179, обеспечивающая на-
При наплавке этой порошковой лентой получены лучшие
результаты по сравнению с наиболее стойкими аналогами.
Наилуаией износостойкостью обладают конусы и пазы,
наплавленные порошковой лентой, содержащей 4,0-4,7% углеро-
да. Она в 1,5-2,0 раза выше износостойкости конусов, наплав-
ленных порошковой лентой ПЛ-АНШ.
В Донецком политехническом институте разработана техно-
логия электрошлаковой наплавки изношенных и новых молотков
роторных дробилок коксохимических заводов пластинчатым элек-
Изношешшй молоток (или заготовку молотка) устанавливают
рабочей части молотка.
Для устранения краевого начального несплавлсння под на-
плавляемый молоток устанавливают медную пластину толщиной
Толщина наплавленного слоя составляет 30-70 мм, расход
электродного металла на один изношенный молоток - 3,0-4,5 кг,
в зависимости от степени износа.
В качестве расходуемых электродов применяют литые пла-
чугуна следующего химического состава: 3,5-4,2% С; 28-32% Сг;
2,0% Si: до2.0%Мв: 1.0-1 Л%Мо; 1>2,O%N1.
ят
Для наплавки используют флюс АНФ-6 с добавками крем-
иарганца, обладающие
по сравнению со ста
ЭШП.
Оптимальный режим наплавки молотка дробилки ДМРЭ-
14x13,5 следующий:
АО
Длительность наплавки молотка, вкль
операции, составляет 20-25 мин.
Срок службы молотков, восстановлен
по разработанной
службы серийных молотков, причем только после этого срока
наблюдается значительный износ монтажных отверстий на мо-
лотков внедрена на
шихт разработан и применяется состав композиционного сплава
на основе релита. в котором в качестве связуктщсго использовали
латунь или бронзу взамен обычно применяемого для компози-
ционной печной наплавки марганцевого мельхиора. Изпосостой-
твержденных практикой, находится на уровне сплава рслнт-мель-
отнести снижение температуры нагрева в печи для пропитки (из
150-180*0, возможность хорошей пропитки упрочняющей фазы
материала связки.
Разработана технология упрочнения рабочих поверхностей
Указа
ериал изготовляют из сталь-
ной цельнотянутой трубы размером 32x3 мм, которой с помощью
вальцовки придают овальное сечение 35x25 мм н разрезают на
заварнвают, заполняют зернистым релитом, другой конец трубки
вставляют в отверстие сварного металлического контейнера.
нзмельченную латунь нли бронзу, флюс к
до т-ры 1000*С и после выдержки
охлаждают с
щтателыюм комбинате (г. Кривой Рог) и др.
из твердого сплава в 3-6 раз выше.
Значительный технический эффект достигается при исполь-
ческою производства опорных листов башмаков коксовыталки-
бил и молотков для
Вогелей, подовых плит,
дробления кокса и угля, роликов ленточных транспортеров
(таблица 5.5).
I Внедрение процессов износостойкой наплавки приведенных
деталей обеспечивает на Коммунарском коксохимическом заводе
ежегодную экономию 80-100 т таких деталей и сокращает
расходы на ремонтные работы.
Таблица 5Л
Эффективность наплавки деталей коксохимического
производства
В ДонНИИЧермете разработана и применена технология
плазменной наплавки новых лопаток па установке А-II05.
порошок ПГ-Cl производства Торсзского завода наплавочных
твердых сплавов. Процесс осуществляется за 1 проход. Толщина
наплавки одной лопатки - 35-40 мин.
Геометрические размеры лопаток в
лопатками на Коммунарском металлургическом комбинате пока-
зали увеличение срока службы лопаток 2,0-2,5 раза.
Разработана и применяется технология индукционной наплав-
ки колосников обжиговых машин. Процесс наплавки проходит при
минимальном нагреве основного металла (при т-ре 200“С).
Установлены оптимальные режимы наплавки контактных
на сетке 1,2 Л, сала тока анода б А, анодное напряжение 6 В.
Продолжительность наплавки одного колосника 50 с. При
шаст 0.1-0,2 мм. Стабильность
зависит от равномерности нанесс
стабильности npo-
цесса плавления и величины электромагнитного давления на
расплавленный металл.
Для наплавки колосников применяется специальное приспо-
собление, позволяющее перемещать колосник с наплавочной
насыпастся на изношенную поверхность колосника с помощью
специального дозатора, толщина стоя шихты зависит от степени
По износостойкости наплавленного металла материалы рас-
полагаются в следующей последовательности (в порядке убыва-
ния износостойкости): сплав релит+мельхиор ПЛ-АН179, ПП-
НП-80Х20РЗТ, Нп-300Х20Н4Ф4Р2, ПП-Нп-350Х10Б8Т2, Нп-90-
ХРГС, ПЛ-АН101, ПЛ-АНШ.
Износостойкую наплавку приведенными в табл. 3.85 порош-
ковыми лептами и проволоками осуществляют открытой дугой
' автоматическим и полуавтоматическим способами, а композици-
0Ш1ЫМ сплавом релит+мельхиор - печным способом.
Для шллоаки деталей загрузочных устройств типовой кон-
струкции доменных печей широко используют порошковые ленты
ПЛ-АНШ ИПЛАН101, в небольшом объеме - композиционный
сплав релит+мельхиор, порошковые ленты НП-90ХРГС. ПЛ-
АН 179 и порошковую наплавочную проволоку ПП-Нп-
350Х10Б8Т2.
чугунных
' деталей из отбеленного чугуна, содержащего: 3,42% С, 0,75% Si
* 0,44% Мп, и затем переплавляют чугунным электродом такого
Алюминий, являясь сильным графитизатором способствует
(Ыельчснию зерна и уменьшению размеров включений графита.
fipyxmypa зоны, прилегающей с основному металлу, представ-
ки* собой серый чугун с феррито-перлитной матрицей и мелкими
(лючениями графита. Структура поверхностных слоев отлича-
ла постепенным снижением количества феррита. Однако и в
мрдость наплавлс|пюго металла ниже, чем основного, и
меняется от HRC, 28 в нижних слоях до HRC, 35 ближе к
Алюминий вводят в состав покрытия чугунных электродов
Ия наплавки первого слоя в количестве от 5 до 15%,
Последующие слои наплавляли электродами без алюминия.
Для получения оптимальной структуры наплавленного слоя
Температура подогрева нс должна быть ниже 400°С, а количество
алюминия в обмазке не должно превышать 8%. Изменение числа
гых составляющих.
нз отбеленного
чугуна, в частности, прокатных валков.
• 6. Наплавка деталей горных машин
горных машин во многом зависит от
Е изготавливаемых из стали 110Г13Л.
К Ташкентским институтом инженеров железнодорожного
I транспорта предложен способ автоматической многозлектрод-
I ной наплавки всей или значительной части поверхности этих
г деталей за один проход.
I При этом обеспечивается минимальное тспловложепие в
основной металл, благодаря рассредоточению теплового потока
вязкую и прочную основу хрупких, по износостойких,
и дешевых материалов - легированных
Для наплавки слоев толщиной до 10 мм применяют злект-
родуговой, свыше 10 мм - электрошлаковый способ.
В качестве материалов для наплавки используют проволоку
Св-08, флюс АН-60 и легирующую шихту (смесь крупки
феррохрома, ферромарганца и электродного боя). Размер зерен
содержащего 5,0-5,5% углеро-
Разработана и применяется технология и оборудование для
ковшей крупных экскаваторов
I за один проход на длине 250
ЭКГ-4,6, ЭКГ-8.
мм от острия слоем 10 мм по верхней и нижней граням.
Износостойкость зубьев в результате наплавки увеличилась
Разработана и внедрена технология наплавки брони шнековых
дробилок и молотков для мельниц по размолу штейна. Броню
наплавляют злектродуговым способом слоями шириной 80 в
толщиной 90 мм без перекрытия. Срок службы наплавленной
брови увеличивается вдвое.
Молотки напл
собой слоем шириной 50 к толщиной 35 мм. Износостойкость
молотков увеличивается в 2,5 раза. Тело молотка массой 30 кг
следует изготовлять из стали 45 вместо стали Г13Л.
При электрошлаковой н.
стинчатые электроды, обеси
ю производитель-
остей или повср-
хностей, имеющих небольшую кривизну.
Разработана и применяется технология электрошлаковой
наплавки рабочих кромок ковшей погрузочно-поставочных машин
и скребков смесителей СМ-115, работающих в условиях абразив-
ного изнашивания.
ку группой пластинчатых
наряду с плавящимися неплавящихся графитовых электродов
1. Новые сплавы для бурового оборудования
В угольной промышленности, гае породы в большинсАе
наплавку рабочего бурового инструмента.
Автором разработаны новые наплавочные сплавы для буровых
Орошж и долотьсв ударно-канатного бурения.
! Особешгостью разработанных автором новых электродов яв-
стся то, что их легирующая и шлакообразующая газозащитная
обмазки нс замешены в единую массу, как это традиционно для
щитиой обмазки, а нанесены порознь, слоями. Причем шлако-
Вдастся периферийной. Это способствует меньшему выгоранию
ГОерода и легирующих элементов при наплавке, так хак
РШалепис металла происходит внутри своеобразного кратера,
разующегося в электроде при его горении в дуге, вследствие
ГО создается наиболее благоприятные условия для шлаковой и
тзовой защиты наплавленного металла.
•вложены следующие предпосылки-
► 1) так как сплавы для буровых коронок должны отличаться
омплексом различных свойств (твердость, износостойкость.
аким-либо <
, ТО В СПЛАВЫ вводилось
Шсхолько легирующих элементов, комплексное действие которых
должно удовлетворять указанным выше свойствам;
Г 2) в сплавы вводились легирующие элементы, имеющие
малый удельный объем карбидной фазы, потому что чем меньше
общий объем карбидной фазы (при данном ее количестве), тем
соответственно больше прочность сплавов;
3) в сплавы вводились легирующие элементы, вызывающие
микроструктурой, благоприятно влияющей на стойкость наплав-
ленных буровых коронок.
При бурении горных пород наплавленными коронками жест-
тики), несущее при этом основную нагрузку, пронизано во всех
направлениях относительно мягкой структурной составляющей
(темная фаза, которая придает рабочей кромке необходимую
пластичность и предупреждает ее от разрушения (выкрашива-
ния).
высокую, чем стальные, и не уступают по стойкости твердосп-
лавным коронкам, превосходя их по производительности. Послед-
нее обусловлено тем, что благодаря большей прочности нап
ночного сплава у наплавленных коронок можно давать бо
их в четыре раза ниже стоимости твердосплавных коронок.
Автором разработан для наплавки долотьев канатно-ударного
бурения сплав следующего состава: 16% W; 2.3% С; 2% Ti; 1%
Работают наплавленные долотья по крепкому граниту (кре-
пость 11-13 по шкале Протодьяконова). Долотья. наплавленные
гея вольфрамо-кобанг
товые сплавы ВК-8В. ВК-6В, ВК-4В, стойкость которых не
Автором разработан новый металлокерамический сплав такого
состава: 40% WC; 50% TiC; 1J%W; 1.5% Ti; 7% Со. Он отличается
от стандартных вольфрамо-кобальтовых сплавов как составом
карбидной фазы, так и составом связки. Карбидная фаза в новом
сплаве состоит из двух износостойких карбидов - TiC и WC:
связка также комплексная, в нее входит, кроме кобальта н
Твердость WC175OHV.B то время как твердость TiC3200HV.
Следовательно, введение а карбидную фазу столь значительного
количества карбида титана должно привести к резкому повы-
шению твердости сплава и вместе с тем к снижению вязкости.
Мсталл-связка нового состава, во-первых, хорошо смачивает
поверхность карбида и распространяется в ней, во-вторых.
но небольшой растворимостью карбида в металле и по крайней
мере не приводит у образованию новых хрупких промежуточных
фаз, которые резко снижали бы прочность сплава. Таким образом,
после взаимодействия с карбидом новая металлическая связка
Сложнолегированная металлическая связка, способствуя по-
вышению пластичности сплава, нейтрализовала в определенной
степени охрупчивание сплава, что обусловлено введением боль-
изгибе 107,06 10’ МПа. *
Новый сплав показывает износостойкость в 1,5 раза большую,
чем сплавы ВК. Кроме того, он менее дефицитен, так как
содержит значительно меньше карбида вольфрама.
В-Наплавка изношенных деталей атомных тепловых
В ИЭС им. Е.О.Патоиа разработаны и внедрены на раде
вИектростанцнн и энергоремонтных предприятий материалы,
технология в оборудование для механизированной восстанови-
li JtMXBHoA наплавки деталей арматуры.
I В качестве электродных и присадочных материалов припе-
вают порошковые проволоки ПП-Нп-10Х14Т, ПП-Нп-
10Х17Н9С5ГТ и ПП-АН157, порошковую ленту ПЛ-АН150 и
|5н>рошли ПГ-СР2 и ПГ-СРЗ.
я. Самозащитиую порошковую проволоку ПП-НП-10Х14Т ис-
еют для восстановительной наплавки деталей общепромыш-
энергетической арматуры, работающей при температуре
до 450‘С и давлении до 6,4 МПа.
t Для температур до 540'С и давлении на трущихся поверхно-
стях до 60 МПа применяют проволоку ПП-НП-1ОХ17Н9С5ГТ
диаметрами 2,6 и 3,4 мм, а также порошковую ленту ПЛ-АН150
Сечением 20x4 мм.
Г* При более жестких условиях эксплуатации: температура до
385'С и удельное давление па уплотнительных поверхностях до
I ВО МПа - здесь рекомендуется порошковая проволока ПП-АН157
и порошки ПГ-СР2 и ПГ-СРЗ.
еыых деталей арматуры применяют различные способы наплавки.
Дуговая наплавка открытой дугой и под флюсом нашла
наибольшее распространение при ремонте арматуры.
Р В качестве оборудования для наплавки чаще всего используют
Серийные аппараты АБС, А-3384МК, А-874Н. полуавтоматы
А-765 с модернизированными держателями, источники питания
: ПГС-500, ВДУ-504 и ВДУ-1201. Для вращения детали можно
применять манипуляторы МНОЮ, М1Ю20, МН 1060 и другие.
Клинья, седла, золотники и корпуса общепромышленной
арматуры наплавляют самозащитной порошковой проволокой
ПП-АН106. Ках правило, наплавку ведут в два слоя на режиме:
J - 260-300 А, Пд - 24-27 В. V.-15-25 м/ч.
Упрочнительные поверхности шириной более 12 мм наплав-
ляют с поперечными колебаниями электродной проволоки. Для
формирования слоя требуемых размеров применяют медные
водоохлаждаемые устройства.
Детали арматуры, наплавленные проволокой ПП-НП-10Х14Т,
обычно подвергают отпуску при температуре 580-600’С в течение
2-3 ч или применяют отжиг при т-ре 860-870"С с последующей
закалкой при т-ре 900-920*С. Твердость уплотнительной повер-
хности после такой термообработки ИКС, 28-34.
порошковой проволокой ПП-Нп-10Х17Н9С5ГТ и ПП-АН157, а
также порошковой лентой ПЛ-АН150. Порошковую проволоку
используют, в основном, для наплавки деталей диаметром 300
мм. Крупную арматуру лучше наплавлять порошковой лептой
под флюсом.
Уплотнительные поверхности штоков запорных деталей Ду
10 и Ду 20 наплавляют “ванным" способом под флюсом в медном
водоохлаждаемом кокиле. Для наплавки используют флюс АН-
15М, сочетающий малую окислительную способность с хорошими
сварочнотехпалотическнмн свойствами. При расплавлении этих
флюсов шлаковая корка быстро застывает в местах контактиро-
вания с холодными стенками кокиля, что предупреждает проте-
кание жидкого металла даже в зазоры до 1 мм.
На качество наплавленного слоя большое влияние оказывает
конструкция формирующего устройства, правильный выбор ре-
жима, хорошая центровка электродной проволоки относительно
кокиле. Установлено, что толщина стенки кокиля должна быть
не менее 25-30 мм. В месте формирования жидкого металла
чивая надежное сплавление с наплавляемым металлом. Время
8 с, штока Ду 20 - 15-16 с.
Штоки и корпуса вентилей Ду 40-60 наплавляют порошковой
проволокой в среде аргона. Наплавку ведут в 2-3 слоя на
юти. Чтобы исключить появ-
в наплавляемом металле трещин, корпуса из стали
15Х1М1Ф пред:
до т-ры 350-400‘С, а после
наплавки охлаждают в песке или флюсе. Наплавленные корпуса
подвергают отпуску при т-ре 700-750‘С в течение 2 ч.
Детали задвижек Ду 100-250 наплавляют в среде аргона с
поперечными колебаниями электродной проволоки Для защиты
АН-15М.
Наплавку арматуры диаметром более 250 мм лучше всего
производить порошковой лентой ПЛ-АН150 или одновременно
двумя проволоками ПП-НП-10Х14Н9С5ГТ или ПП-АН157 под
флюсом типа АН-20 или АН-26. Применяют двух- пли трех-
слойную наплавку с предварительным подогревом детали до т-ры
Рекомендуется следующий режим наплавки:
впряжсние па дуге, В
Скорость перемещения дуги, м/ч
650-700
34-36
14-20
жа применяется 5ля восстановления
юстей корпусов вентилей высокого
Яользуют закалочную станцию ИЗЫОО/2,4 или тиристорный
ЙибразовательСЧИ-100/2,4. доукомплектованный трансформа-
' Присадочным материалом для наплавки служит гранулиро-
Шный порошок ПГ-СР2. Размер частиц порошка 0,2-0,8 мм.
ля защиты расплавленного металла от окисления выбран
Процесс наплавки заключается в следующем. В предваритель-
» очищенную полость корпуса помещают присадочный порошок
N флюс. Корпус устанавливают в индуктор на термостойкую
|1И расплавлении порошка и флюса капли износостойкого
иава осаждаются на наплавленную поверхность, а жидкий флюс
Юднимается вверх и предохраняет зону наплавки от доступа
воздуха. Для стабилизации твердости и получения высокоп*
лизанию с помощью охлаждения водяным душем нижней части
Шлаковые включения. Образуется плотный и однородный наплав-
ленный слой с твердостью HRC, 36-40, который обрабатывается
рсзаннсм. Проплавление основного металла практически отсут-
твует. Выбраны режимы нагрузки корпусов и изучены механи-
ческие свойства основного металла. Разработаны конструкции
индукторов и технология подготовки корпусов под наплавку.
Режимы наплавки корпусов Ду 10 и Ду 20:
ДУ Ю
вапряженне генератора, В 320-340 560-600
! Ток генератора, А 120-135 110-120
' мощность, кВт 30-35 45-50
коэффициент мощности (емкостной) 0,95 0,90-0,94
время нагрева, мин 2,50 3,50
Для уменьшения внутренних напряжений наплавленного
корпуса подвергают отпуску при т-ре 760‘С в течение 2,5-3 ч.
При термообработке корпуса устанавливают в печи вверх дном.
Это позволяет жидкому шлаку вытекать из их полости и
собираться на противне для повторного использования.
Установлено повышение износостойкости в 2-2,5 раза по
сравнению с серийно выпускаемыми корпусами, наплавленными
вручную покрытыми электродами типа ЦН-6.
Газопорошковую наплавку применяют для восстановления
уплотнительных поверхностей и зоны сальниковых уплотнений
штоков арматуры Ду 20-60, а также золотников и тарелок
арматуры 0 до 100 мм.
Как правило,
i восстановительное
нулированные порошки ПГ-СР2 и ПГ-СРЗ.
Подготовка под наплавку предусматривает тщательную очи-
стку восстанавливаемой поверхности от загрязнений, масла,
(S 2 кг) применяют горелку ГН-1, более крупные детали лучше
наплавлять с помощью горелок ГН-2 и ГН-3.
Технология механизированной наплавки изношенных деталей
энергетической арматуры внедрена на предприятиях “Сверддо-
вэнергоремонт”, “Севказэнергоремонт", “Львовэнергоремонт" и
ЭкибастузскойГРЭС/1. Применение новой технологии наплавки
позволило ускорить и упростить ремонтные работы, увеличить
надежность и долговечность теплоэнергетической трубопроводной
арматуры, получить значительный экономический эффект.
Надежность и продолжительность периода непрерывной экс-
плуатации реакторов атомных электрических станций (АЭС) во
многом зависит от работоспособности опорно-упорных подшип-
ников трения скольжения главных циркуляционных насосов
(ГЦН) и уплотнительных поверхностей запорно-рсгулирующей
арматуры.
Для наплавки этих деталей применяется сплав типа
Х32Н8АНМ2Р и воспроизводящие его покрытые электроды
УОНИ-13/Н6. Производство электродов освоено Ленинградским
опытным электро-сварочным заводом и ПО “Ижорский завод".
Наплавка электродами УОНИ-13/Н6 не требует предвари-
тельного и сопутствующего подогрева детали. Твердость наплав-
ленного металла HRC, 28-30. После отпуска при т-ре 800’С в
течение 4 ч, охлаждения с печью до 200“С, затем на воздухе
никповенни необходимости в исправлении дефектов или увели-
чении толщины наплавленного слоя на деталях, прошедших
уточняющую термическую обработку.
' Электроды УОНИ-13/Н6 используются также для наплавки
Виталей Ду 50 и задвижек Ду 500 арматуры АЭС. Наплавленные
(Митили и задвижки нарабатывают шестикратный ресурс, пре-
рсиотренный программой испытаний, что и позволяет применять
лектроды УОНИ-13/Н6 в серийном производстве арматуры.
ЦНИИТмашем совместно с ЛО“Атоммаш” и ПО “Ижорский
к*од” разработана и применяется технология механизированной
рррозионностойкой наплавки внутренних поверхностей главных
Патрубков корпусов реакторов ВВЭР-1000 электродной проволо-
Ввтрубка.
Разработана промышленная технология коррозионностойкой
вухслойной наплавки под флюсом ФЦ-17 на вертикальную
оверхность:
1-й слой (6^ - 4‘2 мм)наплавляется проволокой Св-07Х25Н13,
2-й слой (8 - 10‘2 мм) проволокой Св-04Х20Н10Г2Б
011762).
Рекомендуемые
под флюсом ФЦ-17 на
Таблица 5.6
Рекомендуемые режимы наплавки под флюсом ФЦ-17
на вертикальную поверхность
£ т-еы. '"ы’/Г"
ОЮ7Х25Н13 2 28-30 40-45 35-45 2.0-3.0
0-04Х20НЮГ2Б * 750-400 28-30 40-45 35-45
Таблица 5.7
Механические свойства наплавленного металла
Исхмгмна oni Т-2О'С Иошп—а ирм Г-55Ф-С
1 -о 1 т 1 % т
X МПа X
СВ-07Х25Н13 я! 4 308.7 339.3 32.75 23.00 ЖОО «2.1 «»•» 33,35 34.40
Св-О4Х2ОН1ОГ2Б 610.1 608.3 383 9 ЗУМ 4435 6130 Ж? 1335 13,30 43.4 453
Промышленное освоение разработанной технологии осущест-
влено на ПО“Атоммаш" при наплавке патрубков Ду 850 корпуса
реактора ВВЭР-1000 для Ростовской АЭС. Наплавка патрубковых
узлов производится в полукорпусе реактора, состоящем аз двух
сваренных патрубкоаых обечаек и приваренного к ним фланца,
одновременно двумя укрепленными на консольных установках
автоматами конструкции ЦНИИТМАШ. В соответствии с разра-
ботанной технологией наплавка первого слоя коррозионного
покрытия проводится в один проход проволокой CB-07X25HI3
диаметром 2 мм с подогревом до температуры !00-150*С.
Толщина первого слоя после наплавки составляла 3,5-4 мм.
9. Наплавка деталей оборудования для производства
Увеличение срока службы целлюлозно-бумажного производ-
ства (ЦБП) достигнуто путем применения наплавки.
Наплавка является наиболее распространс!
вышения работоспособности и срока службы И31
i деталей.
Углеродистые стали с содержанием углерода до 0,3-0,4%
применяются для наплавки деталей, подвергающихся незначи-
тельным абразивным воздействиям и усталостному износу в
условиях трения скольжения или качения при эксплуатации а
неагрессивных средах (валы, цапфы, ходовые колеса, опорные
катки, ножи и т.п,).
Стали с содержанием свыше 0,4% С и стали, дополнительно
легированные никелем, хромом, ванадием, ниобием, вольфрамом
и другими элементами-упрочиителями. обладая высокой твердо-
стью, применяются для наплавки деталей, работающих в усло-
виях интенсивных абразивных и абразивно-ударных воздействий
и малоактивных коррозионных средах (ножи рубнтельных машин,
гарнитуры размольных мельниц, броневые листы и другие
Хромистые стали, характеризующиеся высокой прочностью
н достаточной коррозионной стойкостью в ряде агрессивных сред,
применяются для наплавки деталей. подвергающихся коррозион-
но-механическому, коррозионно-абразивному, газа- и гидроабра-
зивному, а также кавитационному изнашиванию.
наплавки деталей, работающих в агрессивных средах при срав-
нительно небольших механических воздействиях (плунжеры,
корпуса я крыльчатки насосов для перекачки жидкостей, нс
содсоожащих абразивных частиц, детали запорной н регули-
рующей арматуры и т.п.).
При воссп
нхся интенсивному
абразивному изнашиванию в агрессивных средах, особенно в
окислительных, используются высокохромистые чугуны.
Для восстановления особо ответственных деталей применя-
изнашиванию в агрессивных средах даже при наличии абразив-
Наряду с указанными сталями и сплавами при ремонте
деталей машин, по производству целлюлозы, бумаги и картона
Широкое распространение находят сплавы на основе меди. Они
I используются для наплавки деталей, подвергающихся изнаши-
ванию при трении скольжения металла по металлу при незначи-
тельных коррозионных и абразивных воздействиях (например,
подшипники скольжения, детали запорной арматуры, питатели
низкого давления установок непрерывной варки целлюлозы и
Среди известных способов наплавки ЦБП широко использу-
ются дуговая наплавка штучными электродами, наплавка меха-
низироеапния под слоем флюса и в среде защитных газов
требуемой толщины с последующим нанесением износе-
1 вручную полуавтоматическим и автоматическим способом в
среде инертного защитного газа. В качестве электродных
' материалов используются электроды для наплавки высокоалю-
миниевой бронзы, изготовленные методом опрессовки, или ком-
позитные проволоки.
I Композитные проволоки марки ПК-БрАН 12-4 и БрАНХ
12-4-0,5 для наплавки высокоалюмшшевых бронз в среде аргона
, обладают хорошими сварочно-технологическими свойствами,
обеспечивают высокое качество наплавленного металла. Изготав-
ливаются они на Архангельском, Котлзеком и Сегежском
целлюлозно-бума
матах (ЦБК). Эти материалы при-
меняют на всех предприятиях для восстановления роторов
питателен низкого давления. Работоспособность восстановленных
деталей увеличивается в 1,8-2,6 раза.
Роторы питателей высокого давления восстанавливаются
автоматической наплавкой сварочными проволоками марки Са-
06Х25Н12ТЮ и Св-08Х19Н10МЗБ под флюсами типа Ан-20 и
АН-26 с добавками 3-5% графита н легирующих элементов-
карбидообразоеателей.
Внедрена механизированная наплавка защитных втулок и
валов. Так, на Архангельском ЦБК производится восстановление
наплавкой изношенных втулок, отлитых из углеродистых и
легированных сталей. Используются проволоки Св-06Х25Н12ТЮ,
Св-06Х19Н9Т и Св-08Х19Н10МЗБ диаметром 1,8-2,5 мм в
сочетании с флюсами типа АН-20 и АН-26. Это позволяет не
лож, но и на 30-60% повысить их межремонтный срок службы.
го котла из низколегированных сталей применяются электроды
типа 342А по ГОСТ 9467-75 марок УОНИ-13/45, СМ-11 или
УП-11/45.
рующего слоя бимег.
ки этой стали. Например, для ремонта плакирующего слоя из
стали 10Х17Н13М2Т используют электроды типа Э-
09Х19Н10Г2М2Б по ГОСТ 10052-75 марок НЖ-13 или ЭА-
400/13.
его и основного металла корпуса
основной металл наплавляют электродами типа Э42А или Э50А,
переходный слой - электродами типа Э-10Х25Н13Г2 марок
ЗИО-8, ЦЛ-9 по ГОСТ 10052-75. Технология наплавки рабочего
облицовочного слоя такая же, как и в случае повреждения только
плакирующего слоя котла.
10. Наплавка режущего инструмента
Автором разработаны
быстрорежущих сплавов.
Безвольфрамовые сплавы по химическому составу,
вателыю и по свойствам, разделяются на 4 группы.
Ниобий измельчает зерно и повышает сопротивление изгибу
до аям.-37ОО МПа при содержании 1,67% № 1. При большом
проценте ниобия, в связи с образованием включений карбидов.
и другие загрязнения, обволакивающие карбиды), сопротивление
изгибу уменьшается (Ояж.~3200 МПа). Ниобий в силу значитель-
ной энергия связи с углеродом, является элементом, в первую
очередь образующим карбиды в стали. Введение ниобия приводит
увеличения содержания углерода. При закалке, благодаря рас-
творению в твердом растворе дополнительных карбидов ниобия
указанные сплавы, отличаясь более легированным раствором,
имеют повышенную красностойкость и износостойкость. Ниобий
увеличивает равномерность распределения карбидов. Измельчая
твердого раствора внутри и по границам зерна.
Наилучтие стойкостные качества в работе показывают
резцы, наплавленные сплавом с содержанием: 1.19% С, 3.32% V,
3,05% Mo, 3.66% Cr, 1,62% Nb . Стойкость этих резцов оказалась
на 26% выше, быстрорежущей ской обработке т-ре 1280'С в 1 стали PI8. Эти сплавы подвергаются термине- по следующему режиму: закалка в масле при трехкратный отпуск по 1 часу при т-ре 560‘С.
После термообработки их твердость составляет HRC, 66-67. Ко
Из сплавов с азотом (2-я группа) ваилучшие качества имел
сплав с 0,3% N. Резцы, наплавленные этим сплавом, показывают
стойкость в работе, превышающую на 23% стойкость резцов, с
припаянными пластинками нз стали Р18. После закалки и отжига
резцы, наплавленные сплавом с азотом, имеют среднюю твердость
HRC,7-68 . К 3 группе относятся сплавы с Сюром.
К 4-й группе сплавов относятся комплексные сплавы
Сплав имеет состав. 122% С, 3.3% V, 2.9% Мо, lj62%Nb,
3.61% Сг, 0.7% В, 032% N. Характеристики сплавов, показавших
Разработанные московским сварочным заводом ли'ктройы
ОЗИ-6 технологичны в условиях серийного электродного произ-
водства и при изготовлении многолезвийного металлорежущего
инструмента и обеспечивают наплавленный металл со сле-
дующими характеристиками: твердость после упрочняющей
термической обработки HRC, 64-67, твердость после отжига нс
выше HRC, 32. обеспечивает высокую технологичность при
механической обработке, жаростойкость при т-ре 950’С порядка
0,0243 г/см1, прочность при изгибе 2900 МПа, ударную вязкость
7-8 Дж/см2, твердость при т-ре 650’ HRC, 54, красностойкость
при т-ре 620’ HRC, 61, кратность повышения стойкости в
сравнении со сталью по результатам широкой промышленной
апробации - 1,4-4 (таблица 5.10).
Таблица 5.10
--ЛЗЙ— Реххм мхаыцмм Кратаость
ыуГТо.ОП
Токарный резец. точение сталей м сплавов:
12Х18Н10Т 32 0.20 2 2,18
30ХГСА 60 0,15 2 1,36
18ХГТ 37 0.19 4 1,40
08Х17Н13М2Т 14 0,17 3 3,20
Вт-20 И 0,18 0,12 2 410
Строгальный резец, сталь ЭИ437 20 0.6 - 1 80
Долбежный резей сталь ДОХ 36 0,2 3.90
Концевая фреза 0 45 мм:
12XI8H10T S 0,08 0,15 1,5 Е38
Сталь 45 - 40 4 1,40
Дисковая фреза диаметром 110 шириной 10 мм:
ЗОХГСА 15 25 1 » I 4.10
I2X18H10T 1 « 1 * 1 “ 1 -
Значительную роль а сплаве, наплавляемым электродом
ОЗИ-6, играет Si.
Зависимость влияния Si на твердость и красностойкость
(таблица 5.11) этого сплава в сравнении с другими показана в
таблице 5.12.
Таблица 5.11
Твердость. HV Твердость
0.5 53 7530 532(1 3510 33 0,1093
0.8 55 7720 5320 3630 34 0.1231
1.1 60 8350 7530 5360 51 0.0243
641 8700 7720 5360 53 0,0215
Таблица 5.12
ОЗИ-6 60 8700 7720 5360
ОЗИ-1 59 7720 6650 4550
03111-2 51 5360 3510
КПИ-РИ-1 53 4550 3940
Применяются также электроды КПП РИ-1, эксплуатационные качества их приведены в таблице 5.13. Широко применяется вольфрамо-кобалыповые сплавы ВК8В, ВК6В, ВК4В, стойкость которых не является вполне достаточной. Автором разработан новый металлокерамический сплав состава: 40%WC,50%TiC, 15% Т1,7%Со,1Л% W. Новый металлокерамический сплав отличается от стандарт- ных вольфрамо-кобальтовых сплавов, как составом карбидной фазы, так и составом связи. Карбидная фаза в новом сплаве состоит из двух износостойких карбидов - T1C-WC. связка также комплексная, в нее входят кроме Co,Wh TL Твердость WC=I75O HV. в то время как у TIC = 3200 HV; следовательно, введение в карбидную фазу столь значительного количества карбида титана приводит к резкому повышению твердости сплава и вместе с
1 J 1 i; a 1 в i s
1 § § §
в a
1
1 6
i 2 2 ?
1 1 I 8 S 3
1
J i 3 3 a
! 1 1 § 8 a i
I
i § 8 ё S § i s li
H £ Q JI a £ s 1;
5 8 § 1 i § § 2
>
8 2 i I i s f
। г i । s 8
8
8 >
1 '
8 !
1 S s' 3 ! г 5 5
Я e a a <s> 11 d. h Q I iJ
II. Наплавка штампового инструмента
Автором разработаны электроды для наплавки двух различных
I характеру работы типов штампов - штампов горячей
льшнх нагрузок (сталь для этих штампов должна обладать
ВТВетствующей красностойкостью н износостойкостью) и
нтомлон холодной штамповки, сталь для которых должна
:ть н режущие свойства
•струмента.
Наплавка горячих штампов осуществляется сплавом состава:
.1% С, 7% V. 7% W, 4% Ст, 2% Мо, 5% Со.
сияем легирующей и шлакообразующей
. Легирующая обмазка наносится внут-
отлова марки I-Ш и наружным слоем шлакообразующее -
Штампы, подтежащи
* местах, подлежащих i
«асти штампа, подверга
с припусками
специальная площадка
При фрезеровании площадки под наплавку необходимо
учесть, что места переходов от одной поверхности к другой
Должны быть плавными и выполняться по радиусу, либо под
тупым углом. Несоблюдение указанных условий обработки
приводит к снижению стойкости наплавки, вследствие непровара.
Наплавленные штампы, с целью осуществления последующей
механической обработки, подвергаются отжигу при т-ре 900*С,
выдержка 3 часа с последующим медленным охлаждением вместе
После отжига наплавле:
нмсст твердость HRC, 26-28. После механической обработки
штампы подвергаются закалке в масле при т-ре 880-900'С. После
Штампы для п>рячей штамповки имеют красностойкость
износостойкость.
I цельнометаллические. Стойкость штампов повышается в 3-4 раза.
Автором разработана также атомно-водородная наплавка
штампов, которые в соответствии с прежней технологией
изготовлялись из стали XI2M (У8189). Велел
рабочего напряжения дуги при атомно-во;
(80-100 В) применялась сила тона 60-65 А.
Для правильного ведения процесса наплавки и получения
хорошего качества металла, необходимо иметь в пламени опре-
деленный, соответствующий этим условиям расход водорода.
дается целый ряд явлений, затрудняющих ведение наплавки,
ухудшающих качества сварного металла:
1. Ухудшаются условия получения и поддержания “спокой-
ной" дуги. При расходе водорода менее 500-800 л/час электри-
ческая дуга получается спокойной. Рабочее напряжение “спокой-
ной" дуги около 35 В, примерю в 3 раза меньше, чем
“звенящей".
2. Защита металла ухудшается. Металл с поверхности может
быть окислен н соединен с азотом.
ухудшает качество наплавки металла.
С целью получения возможности проведения механической
режимом:
в соответствии со следующим
до т-ры 900"С в течение 1,5 час, выдержка 1 час, перенос во
вторую печь с Т-700'С с последующей выдержкой в течение 3-х
Наплавка штампов (это относится и к резьбонакатноиу
давильному инструменту) производится также электродами
ОЗШ-6.
Теплостойкость электродов ОЗШ-6 достигает т-ры 1200'С,
стойкость же при ковке, резке, вальцовке и раскатке по
сравнению со сталью ЗХ2В8 в 2-3 раза выше.
Электроды ОЗШ-6 позволяют реализовать высокоэффектнв-
Таблица 5.14
Значительное повышение стойкости штампов может быть
стиснуто путем наплавки на рабочие поверхности деталей
гампов твердых сплавов. Этот метод особенно эффективен при
монте изношенных частей штампов. В качестве наплавочных
стеллит ВКЗ и электродные сплавы.
Наплавка литыми твердыми сплавами
L Литые твердые сплавы - сормайт и стеллит — выпускаются
11 виде прутков диаметром 5-10 мм, которые посредством
> Юаетилено-кислородного пламени или электрической дуги яаправ-
ляются на рабочую часть штампа. После наплавки он подверга-
Сплив сормайт Nt 2 наплавляется на пуансоны и матрицы
штампов, работающих на истирание (гибочных, вытяжных,
формовочных и для объемной формовки и высадки). Толщина
наплавляемого слоя 2-4 мм. Перед наплавлением штамп нагре-
вается до т-ры 600-650’С.
формообразующих, во и вырубных штампов, так как он имеет
достаточную вязкость. После наплавки стеллит подвергается
и отпуску (в некоторых случаях и бея
нор*
термообработки); твердость HRC, 61-66.
Механическая обработка твердых литых сплавов осуществля-
ется шлифованием нормальными абразивами, доводка или поли-
рование - соответствующими порошками.
дыми литыми сплавами, повышается в 10-15 раз, а вырубных
(прошивных), наплавленных кобальтовым стеллитом, - в 5-6 раз
по сравнению со стойкостью штампов из инструментальных
Для штампов холодной штамповки, и, в частности, для
вырубных, эффективным способом повышения их стойкости
является наплавка рабочих частей штампа твердым сплавом
марки Т-540.
Химический состав обмазки наплавочного электрода Т-540:
феррохром - 36,5%, феррованадий - 4,5%, ферротитан - 40%,
титановый концентрат - 4%, мел - 15%. Твердость этого сплава
после наплавки HRCS 31-41, отжига HRCa 25-33, закалки и
отпуска HRCa 55-61.
Сплав Т-540 применяется для наплавки как при изготовлении
новых, так в для восстановления изношенных частей штампа.
Корпус матрицы или пуансона в этом случае может быть
изготовлен из углеродистой стали Ст.6 или низколегированной
формовки па некоторых заводах производят электродами со
стержнями из стали Х12М и Х12Ф1 с толстым защитно-леги-
рующим покрытием, состав которого подбирается таким образом,
чтобы получить требуемый по химическому составу наплавлен-
ный слой.
В ИЭС им.Е-О. Патона разработаны наплавочные материалы
и технология изготовителыюй и ремонтной наплавки вырубных
штампов холодной штамповки.
Для изгот
рекомендуется наплавка само-
защитной порошковой проволокой ПП-АН140, обеспечивающей
получение наплавленного металла типа 60Х8С2РТ с твердостью
ИКС, 59-61.
П-АН140, я наиболее распространенными при наплавке метал-
»» электродами ЭН-60М, приведены в таблице 5.15.
Таблица 5.15
Пп-лнио 58. .60 2000 2250 4000 0.02
ЭИ-60М 52. .60 1100 1500 4200 0,03
щедусматривает: а) изготовление корпуса из низколегированной или углеро- дистой стали; Е 6) разделку рабочей кромки под наплавку по всему перимет- ру - 8 х 8 мм (10 х 10 мм) или 10 мм х 45*; в) предварительный подогрев штампа до т-ры 400'; г) наплавку режущих кромок проволокой ПП-АН140.
= 220-260 А, 11,-22-24 В; полярность обратная. Наплавка производится не мспее чем в два слоя, отпуск при . т-ре 300-400"С, 1 ч с последующим замедленным охлаждением. Г Структура наплавленного металла - мартенсит и карбиды с умеренным количеством остаточного аустенита. Многолетняя практика показала, что стойкость штампов,
кости штампов, наплавленных электродами ЭН-60М, в 2,5-4 раза (таблица 5.16). Таблица 5.16 1 Относительная стойкость штампов, наплавленных порошковой проволокой ПП-АН140 по сравнению со inrounnuu иоп поопоиииии QnovTnnnauu 'ЗД-АПМ
Mbtcwjj ллкм.-.т Штампуемы ягтахь Отжкеетыьша
Мапа слыв Талош, 1
У10 35Г 3.0 2,6
F Х12 08 Ю 13 2,9
Х12 Ст2 53 4,4
XI2 08 кп 3.3 2,5
615
Для ремонта штампового инструмента в закаленном состоянии
в ИЭС им.Е.0. Патона разработана и внедрена в производство
технология аргоно-дуговой и микроплазменной наплавки с пе-
проволоки ПП-АН148.
Технология ремонта штампа предусматривает:
а) очистку дефектного участка,
б) предварительный подогрев штампа до т-ры 300"С с целью
предотвращения возникновения трещин в наплавленном слое,
20-40 А, в зависимости от объема
г) отпуск при т-ре ЗОО’С I ч,
д) шлифовку или элсктроэрознопную обработку наплавлен-
Указанная технология обеспечивает получение наплавленного
металла типа 80Х12К4ФЗМ2В2НР с твердостью ИКС, 58-60 уже
в первом слое металла наплавки. Структура наплавленного
металла - мартенсит с умеренным количеством остаточного
аустенита, упрочняющая фаза - карбиды и бориды хрома,
вольфрама и молибдена, а также ннтермсталлиды. Такая струк-
тельной ударной вязкостью (до 14 Дж/см’).
Восстановление мелких прецизионных по исполнению штам-
пов в закаленном состоянии внедрено на Кировоградском ПО
“Пищмаш". Рязанском заводе счетно-аналитических машин
(САМ), Каменец-Подольском электромеханическом заводе и
других предприятиях.
Многолетний опыт эксплуатации вырубных штампов холодной
свой проволокой ПП-АН148,
стойкостью штампов из стали Х12 (таблица 5.17).
Таблица 5.17
Относительная стойкость штампов, наплавленных
порошковой проволокой ПП-АН148 по сравнению со
штампами из стали Х12
Шташуоаа о~-~——
Мжча ста» Толстой. ж
У8А 0.5 4.1
О8пс Х2
08 нс м 2.6
О8хл 3,0 2,2
Восстановительная наплавка вырубных шт
ой ПП-АН148 позволила в 5-6 ра:
Тальпой стали, сократить простои высс.„..и.»„^«.,.^...—
автоматов из-за переналадок, а также уменьшить число
дублеров. В конечном счете, все это привело к
ьиому снижению себестоимости изготовляемой продук-
Многолетний опыт применения наплавки вырубных штампов
проволоками ПП-АН140 и ПП-АН148 показывает
рошковой проволоки ПП РИ-1 (1) при наплавке рабочих
поверхностей пуансонов для горячей 4юрмовки внутреннего
Шестиграшшка в головках винтов Мб, М8 или матриц для
холодной высадки заготовок винтов М8.
Наплавка матриц осуществляется на -заготовки из стали
ЗОХГСА, наплавка пуансонов - на заготовки из стали 40Х с
рнйиого производства вместо кристаллизатора целесообразно
применять разовые проволочные формы, навиваемые на оправку.
Размеры внутр<
размерам
получаемой детали с припуском на последующую механическую
обработку.
Наплавка осуществляется ванным способом с помощью полу-
что обусловлено небольшими размерами деталей. Ток постоян-
ный, полярность обратная, напряжение на дуге 26-28 В.
Достигается значительное повышение стойкости наплавлен-
ного инструмента объемной штамповки, что связано с оптималь-
ным сочетанием повышенной теплостойкости и теплопроводности
Таблица 5.18
ta—
Сталь Х12М IS-» Быстрорежущая сталь 1.5-Z0
Твердый сплав ВК-2О 40-45 Твердый сплав В К-20 5.0
Наплавал ПП РИ-1 130-150 Наплавав ПП РИ-1 41,0-46,0
4.Улучшение эксплуатационных свойств
защитных покрытий, полученных
эмалированием, лакокрасочными покрытиями
и электролитическим, гальваническим,
химическим методами
4.1. Эмалирование
Для защиты от коррозии и придания внешнего декоративного
вида стальным и чугунным деталям химической аппаратуры,
пищевого оборудования, электроосветительной аппаратуры и
различных бытовых изделий широко используют эмалирование.
В последнее время эмалевые покрытия стали чаще применять с
целью увеличения надежности деталей машин, работающих в
материалов, в том числе радиоактивных жидкостей. Эмалирован-
ную аппаратуру используют во многих технологических процес-
сах: смешивания, кристаллизации, фильтрации/ нагревания и
и др. Эмалированные изделия обладают эластичностью и высокой
прочностью при сжатии. Детали, подвергнутые эмалированию,
имеют высокую коррозионную стойкость в кислотных и щелочных
растворах, повышенное сопротивление колебаниям температуры
и действию высоких температур. Обычные бытовые эмали
предохраняют металл от коррозии при повышенных температу-
рах, до |=5<Х)‘С. Жаростойкие эмали длительно предохраняют
металл от газовой коррознн при температуре 900-1000’С. а
кратковременно способны выдерживать температуру 2000-3000*С.
Эмалевые покрытия обладают механической прочностью и повы-
шенной износостойкостью при взаимодействии с жидкостью,
содержащей абразивные частицы глины, песка и других матери-
Находят применение для эмалирования стали с Ti. Мп, V с
увеличенным % С (до 0,21%).
Титановую смесь можно эмалировать одзшм слоем эмали без
предварительного нанесения грунта.
Легирование стали титаном улучшает се эмалируемое».
Представляют интерес стали для эмалирования с марганцем,
ванадием, титаном и увеличенным содержанием углерода.
Кислоупорная эмалированная сталь отличается хорошей
сопротивляемостью действию различных химических веществ.
Таблица 1.1
Химический состав сталей
Для
мьзуют :
( Отрукциоиные стали 08КП и 10КП с содержанием углерода до
f- 0,12%, подвергается эмалированию и серый чугун.
В НИИЭМАЛЬХИММАШЕ автором разработаны стали, ле-
[ тированные ванадием н ниобием и установлен оптимальный
процент их для обеспечения лучших условий прн образовании
Г ' Ванадий и ниобий добавляются
соединений с высокой термодннамич
устт
способствует уменьшению выделения газов при эмалировании.
Кроме того, ванадий и ниобий, введенные в сталь, нейтрализуют
в стали соединение. Продукты раскисления ванадия и ниобия
имеют низкую температуру плавленая и поэтому образующиеся
| НИИЭМАЛЬХИММАШ совместно с ЦНИИчерметом разра-
[ ботал 3 вариантов сталей с ванадием:
Г 1. 2. V=0.08%; 3. V-0,12%; 4. V=025%; 5. VM)XB%
' н 3 вариантов сталей с ниобием:
[ 1. Nb=0,05%; 2. Nb-0,08%: 3. Nb-0.12%: 4. Nb-025%; 5. Nb=OJ%.
I 3 варианта сталей с V и Nb и 3 вариантов сталей с различным
1 содержанием марганца:
1. Мп=0.4%; 2. Мп=0,7%: 3. Ма»1.1%: 4. Ма=1,5%; 5. Мп=2%
1. SMU%; 2. Si=OJ»; 3. Sb I %; 4. Si=1.8%: 5. Si=2.7%.
Таблица 1.2
Химический состав, критические точки превращений и некоторые
механические свойства опытных сталей
-X
= » » **. *s ". ", 4» »
0Д1 0,78 0.74 0.95 ОЛИ 0.034 719 1 (ХЮ 444 833 404 62,1 32.8 159-174
0.15 1J9 1.33 0J6 ом 0.030 0.028 * 784 1000 772 890 665 68,1 24.8 176-199
0,15 0.64 <М8 0,28 0.28 0.034 0.024 - 767 958 689 511 72.0 30,0 143-161
0,17 1,07 0.89 - ода 720 BOO 638 SOO 552 673 354 149-174
0.12 033 0.54 0.28 оия 0 029 0.024 874 950 844 927 487 79.1 293 128-147
0,16 OJS 032 •. | ода 708 884 691 834 448 67,0 32,0 123-143
2.06 0,95 0.036 0.033 709 887 757 70S 51,0 26,0 183-214
I-.. 5 ('.•!! 1.25 0.70 0,29 0.26 (! IK J 03)25 850 1000 712 930 605 69.9 30.9 172-197
0.09 064 036 • - 0.86 0X133 0,028 - 937 983 878 925 468 77.4 313 109-122
0.08 0.47 0.42 037 0.023 0,018 0.09 0Л5 щи 5956 183
Таблица 1.3
Химические и механические свойства сталей
Исследуемые образцы из стали, содержащей ванадий и
ниобий, эмалировались без вскипания и пузырей, в то время как
па образцах стали 10 кп наблюдались дефекты. Наилучише
результаты по сплошности эмалевого покрытия обеспечивают
стали, содержащие 0,31% МЬили 0,54 V. Под влиянием ванадия
зерно резко измельчается. При термической обработке ванадие-
вую сталь можно нагревать до более высоких температур, не
боясь перегрева, чем простую углеродистую сталь. Это весьма
существенно, поскольку черновой отжиг под эмалирование, а
также многократные обжиги грунтового и эмалевого покрытия
проводятся при высоких температурах. Ванадиевая сталь после
отжига и нормализации, при одинаковом содержании углерода,
том же содержании углерода ванадиевых карбидов получается
: того, карбиды ванадия выделяются
меньше, чем I
форме равноосных зерен, а не пластинок, и поэтому имеют
атомно-кристаллической решеткой. Низкоуглеродистая ванадие-
связывает углерод н газы
прочие карбиды и нитриды,
предотвращающие закалку и образование трещин в зоне сварного
шва. Таким образом, легирование эмалирующихся сталей вана-
дием или ниобием уменьшает “кипение" эмали при обжиге,
повышает сопротивление стали при осадке и деформации,
уменьшает толщину стали, необходимую для изготовления эма-
лированных сталей. Таким образом легирование стали ванадием
или ниобием (при содержании ,54 V или 0,32 Nb и 0,08% С),
приводит к связыванию всего углерода в карбиды, которые
.туры диссоциации не распадаются
прн обжиге и охлаждении эмали. Количество дефектов в эмали
резко снижается. Указанные стали для эмалирования примени-
В ВНИИЭМАЛЬХИММАШе разработан обезуглерожи-
вающий отжиг, как метод улучшения эмалируемое™ стали.
Отжиг следует проводить при температуре 960'С с выдержкой 3
Лебединская руда; рудный концентрат Курской магнитной ано-
малии КМА-2; лебединсхая руда + 10% известняка.
с отжигом в атмосфере воздуха, позволяет получить лучшее
избирательному окислению углерода стали, на поверхности стали
появляется тонкий наплавленный слой чистого железа. Это
лероженной стали наиболее широкое распространение полу шли
жаростойкие эмали А-19, А-20 и А-31,
эмалирования деталей работающих при температурах до 800'С.
Нанесение эмали на детали производится пульверизацией, обли-
том и окунанием с последующей сушкой и обжигом в атмосфер-
ных условиях. Детали с нанесенными такого типа эмалями могут
работать при температурах до 800’С. Эмали для деталей,
нагреваемых до более высоких температур, обжигают в защитной
В качестве основных компонентов для нанесения эмалей
применяют кремнезем (30-70%), окись натрня или калия (до
30%) и борный ангидрид (до 20%). Кроме этих компонентов, в
зависимости от назначения эмали, в состав ее входят различные
окисли других металлов, позволяющие в широком диапазоне
варьировать свойства покрытий. Для предания покрытиям внеш-
него декоративного веда в эмаль добавляются пигменты, в
качестве которых используют такие материалы, как Сг2О,,Ре,О3,
, СоО. МвО, АЦО,. ZbO. CdS и др.
имеет много общего. Технологический процесс эмалирования
(схема приведена ниже) включает следующие основные опера-
2) приготовление шликера (сметанообразной массы, эмали);
3) нанесение шликера на деталь (иногда с предварительной
грунтовкой);
4) сушку покрытий при температуре 140-180'С;
L 5) обжиг при температуре 820-840'С (при обжиге грунта
Температура 930-970‘С)
Схема технологического режима
Сода кальцинированная 25
Тринатрийфосфат 25
Мыло хозяйственное 2
Сода каустическая 4
Продолжительность обработки составляет 20 мин при темпе-
ратуре кипения раствора;
2) последовательная промывка в горячей и холодной проточ-
3) травление в 8%-ном растворе серной кислоты при 65-75'С
4) промывка в проточной холодной воде;
5) обработка в растворе, содержащем 25 г NiSo4- 7Н2О и
1,8 г И,ВО, на 1 л воды, при 70-75’Св течение 5-10 мин;
6) промывка в проточной воде;
7) нейтрализация в щелочном растворе, содержащем 5 Г
NajCOjH 3 г Na3PO„Ba 1 л Н^О,температура 60-70’С, время 5-10
8) сушка (I50-2WC).
Лучшие безгрунтовые эмалевые покрытия получают на тита-
новой стали, содержащей: С-Off} %-. Мп -021 %; Si - 0,04 %: Al -
0,01 %; Ti - 0.40 %: Cr+NkCo -0.05 %.
Применяются виды подгот
к эмалированию, указанные
и чугунных изделий
Таблица 1.4
Виды подготовки изделий к эмалированию
Ииыма обработав Намаопм
нейтрализация, сушки. Термическое обезжиривание, дробеструйная обработка. Хозяйственная посуда.
изделия, холодильники.
промывка теплой водой, сушка, шпаклевка. Очистка, дробеструйная обработка, шпаклевка. дробеструйная обработка, механическая обработка.
технические изделия (ванны.
Аппараты для химической промышленности (реакторы и
За рубежом используются под эмалирование стали типа 08,
также содержащие титан (0,26-0,44%); для ответственных
1,002%),
I с весьма малым содержанием углерода
елезо типа Армко, или обезуглерожен-
Для химической аппаратуры применяют горячекаленые стали,
Пр,
I для эмалирования изделий приведен
таблице 1.7.
; На некоторых заводах применяется совместное обезжирива-
ние и травление. Эта операция применяется лишь иногда.
Нанесение, сушку и обжиг покровного слоя производят в
Некоторых случаях два и более раз.
Ниже приводятся составы других применяемых эмалей.
Рецепт грунтовой эмали N 3132, широко применяемый
фоизводстве эмалированной стальной аппаратуры.
Состав грунта 3132, %:
Песок кварцевый
Бура
Полевой шпат
Поташ
Мел
Плавиковый шпат
52,6
Пиролюзит
0,6
11 Грунтовые эмали на основе данбуритового концентрата
применяются заводами страны, выпускающими стальные эмали-
рованные изделия (Луганский эмалевый завод. Новомосковский
металлургический, Запорожский i
I и др. предпри-
Химический состав типичных сталей, наиболее часто используемых за рубежом, для
эмалирования тонкостенных изделий при двустороннем покрытии
Xioar«ccDdt состав, *
С я Мп р ж са 51 Сз Мл 71 AJ
Углеродистая 0.06- 0,10 0.06- 0.08 0,40- озо 0.08 0.50 До 0.2 До 0.1 До 0.1 -
0,03 Следи 0,04 0,01 0.03
Т«гаН«ста. 0.08 0.08 031- 0.42 ".'ин' 0.03 0.04- 0.07 0,26- 0,44 оот
Фирмы -Бегеюмел' 0,002 0.004 0.33 0.008 0,026 - -
Химический состав сталей, применяемых для эмалирования химической аппаратуры
Хзоанесо* .«г», %
С я Мв г S Ст м
Завод “Красный Октябрь" 0.10-0.14 0.21-034 037-0,62 0,035-0,040 0,038-0.040 0,03-0,06 0,05-0,06
ДонНИИчермет 0.10-0.14 1,0-М 13-1.65 £ 0.035 S 0.03 -
Японские фирмы яол, 0.20-030 0.40-030 яолз s о.оз
Таблица 1.8 Состав грунтовых эмалей в сырьевых материалах, вес. ч. на 100 вес. ч. фритты
Номера груктоя
>0 1! 4»
50.0 50.0 55.0 50.0
Песок кварцевый 5.6 - 15,8 18.6
Полевой шпат 17.S 25.9 4.2
Сода кальцлнмрованная 313 31.0 30.9 32.0
Селитра натриевая 3.0 3.0 3.0 3.0
Криолит 5.5 5.5 9.0 9.3
Двуокись плана или рутиловый концентрат 4.2 2.7 1.1 2.1
Окись кобальта 0.3 0.3 0.3 о.з
Окись никеля 0.8 0.8 0.8 0.8
Перекись .марганца 0.7 0.7 -
Разработана легкоплавкая эмаль, включающая алюмохром- фосфатную связку. АХФС - алюмохрошросфат/шя связка выпускается Актю- вестью этой эмали является низкая температура наплавления (450-600*С). Повышенными физико-химическими и механически- ми свойствами обладает эмалевое покрытие при следующем 43-60%.ВаО-21-25%.В2О3-1-6%.алюмохромфосфатная связка - 9-30 %. Температура сплавления оптимального состава эмалевого покрытия составляет 450-600'С (оптимальная 500-530’С). При толщине эмалевого покрытия 200-300 мкм микротвер- дость эмали составляет HV=615-640. что позволяет использовать это покрытие в условиях абразивного изнашивания. Термостойкость, определенная резким перепадом температур от 500*С до комнапюй температуры, составляет 20-25 циклов. Такая термостойкость позволяет применять это покрытие в Адгезионная прочность эмалевого покрытия при оптимальном Н=95-99%.
Исследования коррозионной стойкости показали, что скорость
> покрытия, снизилась более чем в 10-13 раз.
Разработанные стеклоэмалевые покрытия на основе системы
KB;O,-SIO2-ZrO2-P2O5относятся к безгрунтовыи и химически
им. В их составах не содержатся ядовитые фторсодержащие
Защитные покрытия иа их основе отличаются достаточно
прошей химической и термохимической устойчивостью при
послойном нанесении стеклослоя на внутреннюю поверхность
фтепровода.
Разработанные безгру/
в интервале
(МПератур 830-900"С, который значительно шире, чем для
(ставов, известных в практике. Полученные покрытия способны
агрев до 950-1000Т.
НЫерживат
Таким образом, синтезированное защитное покрытие может
Пальных труб, предназначенных для транспортирования нефти
1'нефтепродуктов, содержащих коррозионно-активные агенты:
Разработан новый лакокрасочный материал полизфирио-ме-
щминового типа с высоким сухим остатком (ВСО) для исполь-
и эмалевого слоя - грунтовка
1Л-0213. Грунтовка рекомендуется для различных областей
Климатических зонах. Разработан материал с ВСО другого типа -
грунтовки ЭП-0166 М, в которой высокое содержание сухого
вещества обусловливается за счет наполнения высокодисперсным
Металлическим пигментом - цинковым порошком.
i Положительные результаты в решении проблемы налипания
покрытия - эмаль-полнмер. Основная сложность при получении
этого вида покрытия состоит в повышении адгезии полимера к
поверхности эмалевого покрытия.
Создание новых покрытий расширит область применения
эмалированного оборудования.
На Дорогобужском заводе азотных удобрений и Северодонец-
ком ПО “Азот" внедрена эпоксидно-полимерная эмаль ЭП-1155,
модифицированная отходом поливинилхлоридной смолы, обра-
зующимся на ОНПО “Пластполимер". Данным материалом
защищено более 75 тыс.м’ металлоконструкций в цехах серной
кислоты и нитрофоски. Модифицированная эмаль ЭП-1155
защиты подвагонного оборудовапия от коррозии в условиях
систематического воздействия влаги, пыли, налипания грязи и
льда рекомендуется наносить эмаль ЭЛ-1236 черного цвета по
грунтовке ЭП-057. Покрытие выдерживает испытание на воздей-
ствие факторов холодного, умеренного и тропического климата
по ГОСТам.
Таблица 1.10
Данбуритовые эиали в сырьевых материалах, вес. ч.
Данбуритовый кошдорл 45,0 50.0 60.0
Песок кварцевый - 5.5 0.2
Глинозем технический 6.1 5.2 5.0
Сода кальцинированная 6.7 юл 3,7
Селитра натриевая 3.0 3.0 3,0
22.5 -
Двуокись циркония 14.0 14.0
Окись цинка 7.0 7.0
Окись магния 0.5 -
Криолит 12.7 13.0 12.5
4.2. Лакокрасочные покрытия
покрытий в тяжелых условиях контакта с химическими раство-
развивающаяся в последнее время химия высокомолекулярных
соединений. В последнее время успешно синтезированы многие
еры, на основе которых разработан
целый ряд лакокрасочных материалов. Защитные покрытия
подразделяются на две большие группы: металлические и неме-
Наиболее
ских покрытий в промышленных условиях являются лакокрасоч-
ные покрытия, которые в последнее время стали применять не
только для защиты механизмов, работающих в помещениях, ио
и в более жестких условиях - при непосредственном контакте с
агрессивной внешней средой: различными химическими раство-
рами, водой, водными растворами электролитов, перегретым
паром, углеводородами, при повышенной влажности и темпера-
туре, под действием радиоактивных излучений и т,д.
Лакокрасочные материалы в большинстве случаев являются
наиболее доступным видом мате
Благодаря этим качествам они
। для защитных покрытий.
ненис в народном хозяйстве. В промышленных условиях более
половины всех металлических конструкций защищаются от
менно придают изделиям красивый внешний декоративный вид и
необходимый красочный оттенок. Для получения комплекса
В состав лакокрасочных материалов входят: пленкообра-
зуюшее вещество (основа), растворители, пигменты, наполните-
ли, пластификаторы и сиккативы.
Пленкообразующиевещества являются связующим компонен-
том пигментов н наполнителей. К числу пленкообразующнх
веществ относят растительные масла, смолы, эфнроцеллюлозы и
др. вещества органического происхождения.
Пигменты - нерастворимые красящие вещества, придают
покрытию нужный цвет и повышают защитные свойства пленки.
Применяют следующие пигменты: серебряные (алюминиевая
пудра), белые (Zbh Pb).желтые (охра), синие (лазурь), зеленые
(СгО),
зный сурик), черные (сажа). В качестве
пигментов широко распространены также органические красите-
Растворители - бесцветные жидкости органического проис-
хождения, необходимые для растворения пленкообразующих
Наполнители - соли и окнслы металлов (гипс, каолин, мел.
тальк) применяются для
тов, повышения проч-
Пластификаторы - улучшают гибкость и пластичность
пленки. Для этого исп
Сикаттивы (ускорители высыхания) - ускоряют процесс
окисления пленкообразующего вещества и превращения его в
пленку. Они состоят из перекисей свинца, кобальта, марганца.
Свойства лакокрасочных материалов зависят от характери-
стик входящих в него составных частей. Основные свойства
лакокрасочных материалов и покрытий следующие:
- вязкость лакокрасочных материалов зависит от способа их
нанесения на покрываемую поверхность (окунанием детали,
пульверизатором, кистью, шпателем);
- прилилаемость (адгозия) лакокрасочных материалов к
подложке является важным свойством, от которого зависит
прочность покрытия;
- укрывистость (кроющая способность) характеризует спо-
собность лакокрасочного матер.
лия. Зависит от свойств пигментов и разности коэффициентов
преломления света пигмента и связующего;
- удельный расход - количество лакокрасочного материала,
необходимое для нормального укрытия 1 м2 поверхности;
- сухой остаток - количество лакокрасочного материала,
которое остается в пленке после ее высыхания (в % от
израсходованного веса);
- блеск лакокрасочного покрытия зависит от качества
поверхностного слоя пленки. Блеск (глянец) влияет на устойчи-
- толщина играет большую роль в системах специальных
лакокрасочных покрытий. Существуют оптимальные толщины
для систем покрытий. С уменьшением их ухудшаются защитные
С увеличением толщины ухудшаются механические свойства;
- эластичность пленки влияет на долговечность лакокрасоч-
ного покрытия;
- стойкость к воздействию окружающей среды является
главным показателем, определяющим качество лакокрасочного
покрытия. Наибольшая стойкость достигается при использовании
покрытий, обладающих хорошей прилипасмостью к защищаемой поверхности; - время высыхания - продолжительность высыхания покрытие , - состояние поверхности - различные жировые загрязнения поверхности, а также пыль и влага снижают прилипаемость покрытия; - качество покрасочных работ получается высоким лишь при выполнении всех стадий технологического процесса покраски: подготовки поверхности, грунтовки, шпатлевания, шлифования, нанесения краски на поверхность изделия и сушка. В основу классификации лакокрасочных материалов положены . следующие признаки: вид материала (лак, краска, порошковая риала (род пленхообразующего вещества, табл. 2.1; преимущес- твенное назначение, табл. 2.2). Таблица 2.1 Классификация и обозначение лакокрасочных материалов по химическому составу
Ллм.мю-ахражчюе АС «РВЛ.ТО. с
ГФ Смолы злккдныс
Кдинфольние КФ Канифоль ее производные.
Крсмкяйорги- ко Смолы кремняйортничссхно и
.Масляные .ЧА Масла растительные.
Маслено- и кл кмд мости рольные мс Смолы м.сл.ио-с-глроли.ыс.
Меламт.ные мл Смолы меламшюформаль-
Пороцел,™.™™. нц нптроалкндныс композиции.
Пекта фталевые ПФ Смолы алкидные
поливинилхлоридные хв Смолы перхлервннмловые и
Специальные * Покрытия, обладающие специфическими свойствами: стойкие к рентгеновским и др. нхтучсниям (светящиеся, для пропитки тканей, окраски кожи и др.).
М.тото&атоетойх.е 5 !l! ш !li!
Химически стойкие Покрытия, стойкие к воздействию кислот, щелочей и др, жидких химических реагентов и их паров.
Термостойкие Покрытая, стоокве к аоадеЯеттчо
изоляционные
Кодовое обозначение красок, эмалей, грушовок и шпатлевок
состоит из пяти групп знаков, а лаков - из четырех групп:
1) вид лакокрасочного материала - эмаль, лак, шпатлевка и
3) обозначение группы материала по назначению - для лаков,
эмалей, красок; для грунтовок обозначение 0, для шпатлевок -
00;
4) порядковый номер обозначает номер рецептуры, присво-
енный материалу на заводе, изготовляющем лакокрасочные
51 цвет материала обозначается полным словом.
Между второй и третьей группой знаков ставится тире. Иногда
после порядкового номера материала ставят буквенный индекс,
характеризующий некоторые особенности материала. Например,
ГС - горячая сушка, ХС - холодная сушка. М - матовый, ПМ -
полуматовый и т.д.
Примеры обозначения лакокрасочных материалов ио ГОСТу
9825-73.
Грунтовка ГФ-020 коричневая, где “грунтовка" - вид мате-
(глифталевая), 0 - грунтовка, 20 - порядковый номер, “корич-
левая" - цвет грунтовки.
Эмаль ЭП-140, где
вид материала, ЭП
обозначение материала по химическому составу (эпоксидная),
₽• групп» материала по назначению (атмосферостойка»), 40 -
Если лакокрасочное покрытие предназначено для защиты
i Т - тропический климат.
ТВ - тропический влажный климат,
5 ТС - тропический сухой климат.
f Например, АТ обозначает, что покрытие предназначено для
тмосферной эксплуатации в условиях тропического климата, а
'ЭТВ1М - что покрытие электроизоляционное, работающее до
температуры 120’С в условиях влажного тропического климата.
пая обработка поверхности. Особенности этих обоих видов
Обработки имеют обозначение, которое обязательно записывается
дробью, в числителе которой указывается предварительная
Обработка поверхности, а в знаменателе - последующее нанесе-
иие покрытия. Например, ———- —. обозначает,
Г" Эм.ПФ-218, серый, П.Ц
охсплуатацию изделия внутри помещения после п
цинкования толщиной 9 мкм с хромированием.
выше. лакокрасочные материалы подразделяются на лаки, эмали,
каждого из персчислешгых лакокрасочных материалов?
Непосредственно на окрашиваемую поверхность, создавая грунт
(фундамент) для лакокрасочного покрытия. Опи должны обладать
высокой адгезией к поверхности окрашиваемой детали, к нано-
симым на них пленкам последующих слоев покрытий н быть в
। достаточной степени эластичными и водостойкими.
I Лаковые грунтовки изготавливаются на основе лака, масля-
ные - на основе олифы. Они содержат от 50 до 100% пигментов
и наполнителей. Кроме того, в состав грунтовых входят пласти-
фикаторы, отвердители, поверхностно-активные вещества и спе-
циальные добавки.
Шпатлевки, так же как и эмали, изготавливают на основе
лаковых растворов синтетических пленкообразующих или олифы.
Содержание пигментов и наполнителей в них может достигать
до 200-300% от массы плеикообразующих веществ. Шпатлевки
предназначепы для
окрашиваемой повер-
хности. Опи обладают хорошей адгезией, обеспечивающей проч-
ное сцепление с покрываемой поверхностью, пластичностью и
хорошей шлифуемостыо в затвердевшем состоянии. Толщина 1
слоя при шпатлевки не более 0,5 мм. Если углубления больше
0,5 мм, шпатлевка наносится в несколько слоев. Общая толщина
После шпатлевания
Шлифование бывает сухое и мокрое. При сухом шлифовании
шпатлевка удаляется сжатым воздухом или ветошью, смоченной
обеспыливающим составом. Мокрое шлифование производится с
водой или уайт-спиртом. После мокрого способа поверхность
промывают водой и высушивают. Шлифование осуществляется
пневматическими и электрическими шлифовальными машинами.
Лаки - это растворы природных или синтетических пленко-
образующих в органических растворителях. В их состав могут
входить также пластификаторы, отвердители, катализаторы от-
верждения. свето- и термостабилизаторы, антистатики, органи-
ческие растворимые красители и др. компоненты. Лаки можно
наносить непосредственно на изделие или поверх слоя краски с
целью создания защитного покрытия или красивого внешнего
сгн изделий твердую и прочную атмосферостойкую пленку.
Эмали - представляют собой дисперсии минеральных или
органических пигментов или их смеси в растворах лаков.
Порошковые эмали - это состав смолы (пленхообразующего) с
пигментами. Содержание пигмента в эмалях от 80 до 120% в
Масляные краски в отличие от лаковых эмалей получают на
основе натуральной или синтетической олифы. Они также
содержат минеральные пигменты или наполнители, иногда -
поверхностно-активные вещества.
Эмали и краски обычно наносят на загрунтованную поверх-
ность или непосредственно на изделие. Их назначение - придание
красивого внешнего вида, защита поверхности от различных
воздействий, в ряде случаев - придание специальных свойств.
Все наносимые слои должны быть совместимы, т.е. обладать
способностью создавать прочные монолитные лакокрасочные
покрытия. Надежная
зюстей изделий, а также
качестве иная отделка их может быть обеспечена только при
хорошей предварительной очистке и подготовке окрашиваемой
поверхности. Основные операции очистки- очистка от ржавчины,
сварочных брызг, жировых и др. видов загрязнений. Очистка
поверхности изделий при ее подготовке к окраске может быть:
Ь) механической - пневматическими
2) химическая - обезжиривание органическими растворите-
1МИ, травление в щеточных или кислотных растворах или
И рыта прокатной окалиной, а толщина очищаемого металла не
knee 6 мм. В результате нагрева изделия и последующего его
। и отслаивается от основного
:и необходима механическая
Мталла. После термине.
Хорошее качество покрытия, его долговечность зависит не
яько от предварительной очистки окрашиваемой поверхности,
также от того, насколько прочно оно связано с подложкой,
от адгезии. Для улучшения адгезии лакокрасочного покрытия
чность лакокрасочного покрытия в значительной
шсит от воздействия многих факторов: солнечного
(Вета, тепла и холода, влаги и агрессивных веществ, механиче-
Кс нагрузок, бактерий и др. Под влиянием этих факторов
акрытия утрачивают эластичность, снижается их прочность, они
(втрескиваются, шелушатся и наконец полностью разрушаются.
' Ниже приведена схема, в которой обобщены факторы,
дияющие на стойкость лакокрасочных покрытий.
При подборе лакокрасочного материала при эксплуатации
изделий в условиях воздействия атмосферы следует учитывать
конкретные особенности работы изделий: так для изделий,
/работающих в условиях повышенной солнечной радиации, следует
работающее при пониженных температурах, выгоднее окраши-
вать в темные цвета. Повышенная влажность и большое
во осадков требует применения лакокрасочных матерн-
минимальной влагопроницаемостью и пористостью -
(эмали ХВ алкидные) с :
пассивирующие
пигменты. В условиях атмосферы, загрязненной промышленными
парами или газами, следует применять лакокрасочные покрытия
с пленкообразующими на основе сополимеров хлорвинила и
перхлорвиниловых эмалей с минимальной химической актнвио-
гических процессов придают окрашиваемым изделиям хороший
внешний декоративный вид.
В настоящее время применяют материалы для теплостойких
покрытий, которые можно разделить на следующие группы:
1> битумо-масляно-смоляные и масляно-смоляные материалы
фенольные, акриловые и полнвиннлбутиральные, стойкие до
200'С:
2) материалы на основе эпоксидных и полнвиннлбутиральных
смол с теплостойкими пигментами и наполнителями для защиты
деталей, работающих до 260-350’С (эмаль ЭП-2803, лак эпок-
сидный ЭП-4100, лак ВЛ-725);
3) кремнийорганнческие лакокрасочные материалы для по-
крытий без наполнителей и модифицированных другими олиго-
мерами, в сочетании с эпоксидными материалами, работающие
до 260-350’С;
4) бнтумно-маслякые покрытия, наносимые с жаростойкими
наполнителями, работающие до ЗОО-4ОО*С (лаки первой группы,
пигментированные алюминиевой пудрой, а в качестве наполни-
тсля - каолин);
5) кремнийоргтшчсскне лакокрасочные покрытия с жаростой-
температурах до 450-550’С (жаростойкая эмаль N9.KO-88, КО-1,
ПК-18).
Из прочих видов лакокрасочных покрытий изучаются, а
злектрозащнтные н токопроводящие покрытия, морозостойкие,
негорючие и огнезащитные покрытия, термоиндикаторные покры-
тия и покрытия, устойчивые к воздействию различного рода
растворителей.
отметить водостойкость их. Под водостойкостью покрытий
следует понимать их сопротивляемость набуханию и водопрони-
цаемости при соприкосновении с водой пли при работе в условиях
мнческие свойства, при которых не наблюдается коррозионного
эрушения защищаемого материала. Коррозия в условиях
аышешюй влажности, как указывалось выше, по современным
едсгавлеиням, рассматривается как электрохимическая корро-
я, вызванная образованием гальванических пор.
Рядом исследований установлено, что причиной коррозии в
X условиях является не наличие пористости в покрытии, хотя
это в ряде случаев имеет место, а проникновение влага через
и диффузии D I0 м’/ч; коэффициентом пропина
и коэффициентом растворимости hl О” Н/м3.
ризуюшей количество воды в граммах, прошедшее через пленку,
толщиной I I О'1 м и площадью 110"* м2 за час при разности
; давлений в 133,322 Па.
Г Коэффициент растворимости h характеризует процесс рас-
творения влаги в лакокрасочной пленке и определяется количе-
ством граммов воды, растворяющейся в ЫО'6 м3 пленки при
разности давлений 133,322 Па.
Коэффициент диффузии определяет скорость процесса вла ro-
Из
следует после некоторых преобразований, что
dQ = -DS~dl.
Для органических полимеров сорбция влаги происходит по
закону Генри:
‘ OhP.
(4.4)
ll этих уравнениях Q - количество воды, прошедшей через
слой материала, толщиной Хза время (через сечение площадью
При подстановке уравнения 4 в уравнение 3 получаем:
<Ю«- Dh^Sdt.
(45)
Из сопоставления уравнений I н 5 следует, что коэффициент
проницаемости прямо пропорционален растворимости и коэффн-
P=hD.
Учитывая, что рассмотренные покрытия гидрофобии. величи-
ной h можно пренебречь, т.е. влагопроницаемость через поры и
“порочки" будет определяться, в основном, величиной D.
Коррозия под атмосферостойким покрытием из лакокрасочных
материалов начинается всегда в местах пор, распространяете»
далее вследствие капиллярного движения влаги в виде змеек,
местах которых начинается локальное, а затем расширенно»
отслоение покрытия. Все эти математические выкладки и опре-
деления необходимы для определения назначения соответст-
вующих эмалей и красок.
Лу
' хлорвиниловые, эпоксид*
иые и метакриловые полимеры. Параметры диффузии, а следа-
вательно, и
в сильной мере зависят от
температуры процесса, однако различны для разных материалов.
При повышении температуры от 20 до 50-60'С коэффициент
диффузии у рассматриваемых полимеров возрастает в 30-60 раз.
Повышение относительной влажности воздуха не оказывает
существенного влияния на коэффициент диффузии, т.е. на
влагопроницаемость. Добавляемые в лакокрасочные материалы
пигменты служат не только для придания материалу красивого
внешнего вида, по и для улучшения характеристик влагопрони-
цаемостн. В водостойких материалах используются пигменты
основного характера (окись циика), пассивирующие пигменты
(свинцовый сурик, хроматы свинца, цинка, стронция, плюмбит
кальция в др.) и металлические добавки, обладающие более
низким электрическим потенциалом, чем защищаемый материал.
Щелочные пигменты нейтрализуют свободные кислоты,
имеющиеся в покрытии и проникающие извне. При этом
образуются мыла, уменьшающие адсорбцию воды покрытием.
Пассивные пигменты обладают окислительной способностью,
образуют дополнительную оксидную пленку, замедляющую про-
цесс коррозии.
Влагостойкие защитные покрытия работают в сложных усло-
виях эксплуатации. Пресная вода сама по себе, в ряде случаев,
лакокрасочного материала. Од
ленных газов, особенно при эксплуатации деталей при повышен-
ной температуре обусловливает большое разрушительное воздей-
ствие на лакокрасочные покрытия. Все эти факторы следует
учитывать при подборе лакокрасочных материалов при нанесении
Пфытий. Одной из активных сред является морская вода,
рессивная по отношению к большинству конструкционных
Морская вода содержит большое количество различных солей.
Степень коррозионного воздействия морской воды зависит от
телыю уменьшение и толщины с резким понижением защитных
Войств. Однако наибольшее разрушительное воздействие оха-
аывает одновременное или переменное воздействие воды и актив-
ных промышленных газов. Для работы в условиях повышенной
иахвости необходимо подбирать лакокрасочный материал с
Урошей адгезией, высокой влагостойкостью и повышенной
меть в виду, что к ним предъявляются дополнительные
Требования хорошей пассивирующей способности, фосфати-
ующего нли протекторного эффекта. В качестве грунтов
пюльзуют грунты ХС-010 и ХС-041 на основе смолы СВХ-40,
Грунты фосфатирующие ВЛ-08, ВЛ-02, ВЛ-022, ВЛ-023, грунты
детекторные ПС-1 па основе полнвииилбутнраля, ОХС-19-7
на основе смолы СВХ 40 и цинковой пыли, а также грунты на
основе этииолевого лака, эпоксидной смолы и цинковой пыли.
Покрывные материалы по типу связующего вещества разде-
отчестве битумных материалов применяют камнеугольный (би-
тельным введением алюминиевой пудры в количестве 10-15%.
Наиболее широко из этой группы материалов в последнее время
применяются водостойкие материалы на основе этилового лака.
Водостойкие материалы с использованием сополимеров хлор-
винила являются также перспективным материалом: смола СВХ-
40, сополимер А-15 в др. На основе смолы СВХ-40 изготовляется
эмаль ХС-52, лак ХС-76, краски алюминиевые ХС-54 и ХС-57 с
введением лака ХС-76 и алюминиевой пудры. Покрывные
системах водостойких защитных покрытий. Фенольные смолы
служат основой для водостойких покрытий, для этих целей
применяют бакелнтный лак, лак БФ-2. Для улучшения физико-
механических свойств добавляют 10% алюминиевой пудры.
Из
гь, что активный
В качестве защитных покрытий применяются краски ОФЛ-71-Т
могут защищать изделия из конструкционных сталей, подвер-
гающихся воздействию перегретого паря воды с температурой до
200*С. Краска на гидрофобной фенолформальдегидной смоле а
сочетании с быстро твердеющей краской ВТК устойчива при
длительной эксплуатации в пресной воде в течение 3-4 лет. Для
защиты изделий в условиях 100% влажности применяют ряд
материалов на основе фенольных смол - эмаль Б-240/16, ФЛ-14,;
дают эпоксидные смолы. Из эпоксидных материалов в качестве;
водостойких лакокрасочных покрытий применяют олигомеры
ЭД-6, ЭД-40, ЭД-41, так Э-4100, иногда пигментированный
алюминиевой пудрой (10-15%). Перспективными являются также
эпоксидные материалы, модифицированные фенольными смола*
мн: лак Э-3059, выдерживающий воздействие воды при темпера-
туре 120* С и давлении 2,5-98,0665 КПа. На эпоксидной основе
промышленностью выпускаются эмали ЭП-413 кремовая, ЭП-411 |
Покрытия для работы в условиях тропического климата
эксплуатируются в специфических условиях.
покрытий. В качестве грунтов для покр
ЭП-00-10 и фенолалкидные
грунт
фосфатирующие ВЛ-02, ВЛ-08, ВЛ-023; протекторные цинковые
грунты и на основе сополимера хлорвинила ХС-010, ВХГ-4007;
новые грунты на основе эпоксидной и меламиноформальдегидпого
олигомера ЭП-09 и др.
Для покрытия изделий, работающих в условиях тропического
в этом случае может быть применено в виде исключения для
исправления дефектов, высотой не более 0,510J и. В качестве
шпатлевок для данного типа условий используют шпатлевки:
ПФ-002 под эмали горячей сушки; ХВ-005 под перхлорвиинловые
эмали; на эпоксидном олигомере ЭД-6, ЭП-ОО-ЮД под эмали
ЭП; глифталевая 175 под нитроэмали. Покрываемые материалы
юфероустой-
мивимальиую фторохимическую активность. Введение алюмини-
евой пудры уменьшает вредное воздействие ультрафиолетовых
лучей. Вероятность образования различного рода плесени может
быть понижена при повышении твердости и влагоустойчивоств
покрытия, а также путем подбора соответствующих пигме>гтов и
Полннтелей. Применение в качестве пигментов чистой окиси
Малов позволяет получить покрытия довольно стойкие к воздей-
вию различного рода микроорганизмов. Если же покрытия
в-таки в какой-то степени содержат питательную среду для
пличных грибков и плесени, тогда в каждый слой необходимо
водить вещества, предотвращающие размножение мнкроорганиз-
» - фунгисиды - нли использовать фуппгеидпые смазки. Рядом
гбот установлено, что для тропического климата желательно
Пгмснеиие лакокрасочных покрытий горячей сушки. Эти покры-
t обладают лучшей атмосферостойкостью и более высокой
конической прочностью, хотя высокотемпературная сушка в
де случаев связана с затруднениями, особенно при окраске
упиогабаритных деталей.
Покрытия холодной сушки имеют также достаточно хорошие
Свойства, но для повышения эксплуатационных характеристик
^необходимо наносить в несколько слоев. В условиях троян-
ского климата для защитных и декоративных целей применя-
емых изделий используются различные лаки. Из светлых лаков
Ыходят применение лаки АК-ИЗФ. ГФ-95, КФ-95, обычно их
поносят на грунт в два слоя н сушат при 150-180*0 в течение
% Для защиты алюминиевых, магниевых и стальных изделий
применяют лак ВЛ-725, наносимый на грунты ФЛ-ОЗ-Ж н
>-031 и без грунтов при нанесении лаков на кадмиевую,
Ьсфатировашгую нли оксидированную поверхности. Сушка
Йиессшгых лаков производится при 140*С в течение 1 ч. Для
(йвщиты деталей из алюминия, меди, бронзы н дерева применяется
лак алхидностирольный МС-25. Кроме лака МС-25 для дере-
вянных изделий применяют нитроцеллюлозный лак АВ-4, а для
Пластмасс и цветных металлов - СБ-1с. Используют также
алкидный ПФ-170, янтарный, полиуретановый, алкилфеноль-
ный, бутилметакрилатный АК-113. Для эксплуатации изделий
В условиях с повышенной солнечной радиацией прнгодгш только
лак 170. В условиях троппч<
без добавки алюминиевой пудры ПАК-4. Они наносятся обычно
в три слоя без грунта и сушатся при температуре 200'Св течение
разработан ряд новых материалов, к
эпоксндно-уретановой эмалью УР-81 или же серая и голубая эмали.
МС-006. При производстве лакокрасочных покрытий для работы
особое внимание на качество окрашиваемой поверхности.
Имеется положительный опыт нестационарного электроосаяы
дения защитных лакокрасочных покрытий на разнообразны»
изделия из стали и алюминия. Отмечено повышение защитима :
свойств (кислого- и щелочестойкостн) покрытий, полученных в
импульсивном режиме, по сравнению с постоянным в 1,2-2,1
Установка Ореол-1000 предназначена для нанесения лако
красочных материалов (ЛКМ) при работе во взрывоопасны^;
помещениях класса В1-6.
Отличается от аналогов более высокой производительностью.
большим зарядом рас»
меньшими се '
Установка включает в себя:
- источник высокого напряжения (ИВН). выполненный по
нофазной
с сигнальной арматурой для контроля
высокого напряжения;
- блок автоматики с приборами контроля высокого напряже*
ния и тока нагрузки ИВН;
- баки с ЛКМ и растворителем.
Зарядка распылителя - внутренняя, исключающая искрооб-
разевание даже при соприкосновении окрашиваемого изделия с
Наносимые ЛКМ имеют следующие характеристики: удельно
объемное сопротивление - 5106-5 107 Ом см, поверхностное
натяжение - не более 3510’5 Н/см, вязкость по ВЗ-4 - до 30 с,
Техническая характеристика:
ЛКМ), cmVmhh
200-1000
производительности, мкКл/г
не менее 1
сети, МПа
Сила тока короткого замыкания,
Масса распылителя, кг
Масса ИВН, кг
Установка внедрена на Минском мотовелозаводе.
Виды внутренних покрытий указаны в табл. 2.3.
60
не более 0,5
0,6
30
1к*я<тж п ослом ежа
““ - -а -
Растворители
Спирты у х X X X п п
Бензин V. о о о о У х п
Углеводороды X О о о о п п
Аммиак п п п п п п п п
Щелочи П-У х-ох П-У х-ох х х-ох У-Х о
Кислоты п П-У п Р-У П-У П-У
Вода^оолсная, у X X X у X О о
Нанесете
0 «• 0 О г О ох п-ох
Потребность в да "" не. да КП нет да нет
Применяемый Уда Уг. Уда Уда У г» У г. снес.
Способ нанесения Л л л л Л л л Л
Отеержденее или Г Г „Г •да Г г еда Г * *
горячей сушки. 'С 13$ IM 177 1Т> 160 149
воздухе до коррозионной 20 s я; s|: : '| s а; д j : д| а 1 I «М s s| 2 ч 24 ч
= s 1— Iss.
Химическая стойкость
Атмосфер. X о 0 0 0 ОХ X о
□брызги нание соляным раствором ох 0 ° 0 0 о X о
Растворители
Спирты х у о • о о о о о
Бензин о о 0 о о о о о
Углеводороды о ОХ о о о о о о
Аммиак х п о п у п о п
Щелочи о о о о О о о п
п-х П-У у п-х П-0 П-У п П-У
пресная) X ох ° X О X О О
Нанесение
XXL О 0 Г Г Г О о
Потребность в «. нет нет нет нет нет
Применяемый емес- У г» жег. см«к °“сь мт. епнрт
Способ нанесения ог Л л ОГ ОГ ОГ л л 1
Отверждение * г г г Г Г м.Г
Темпер, тур» ' 1М 177 204 177 149 177 1
Время горячей 30 30 30 30 30 30 30
сушки, мин
м“ 1 * 1%
j 2 ч. 2ч. - 4,. £
“X. =~ — *2Г
ижтными нстх-ьтами о ох х
старой краской
Декоративные свойства
X ох ° X ох ох X о
блеск'1' о X 0 П ох X о х
Сохранение блеска у о о х - о -
Химическая стойкость
помещения 0 о 0 о 0 V 0 V
соляным раствором 0 0 о 0 0 X 0 °
Растворители
Спирты ох у х у ° X у о
Бензин У-Х 0 0 у X ох
Углеводороды X о
Аммиак п 0 п п 0 X п о
Щелочи У-Х 0 о у о 0 X ох
п-х х-о п п ° п п 0
Вода (соленая. 0 ° 0 О О V ох о
Нанесение
0 V ох X X - -
Потребность в ш да да -
““ ОЛ» ни
Способ нанесения л ог л ог ог or ог ог
машине ПЛ-70 под давлением 3,0-3,5 МПа при 270+310*С
(полипропилен) и 270+410°С(пентапласт) в специальных формах.
давлении 0,35 МПа, температуре 120+160’С. Внутреннюю повер-
хность корпуса насоса защищали полимерным покрытием, нано-
симым струйным методом на электростатической установке
пистолетного типа.
На Гомельском химическом заводе организован участок по
нанесению антикоррозионных покрытий на детали центробеж-
ных насосов. Испытания показали, что предложенные защитные
покрытия увеличивают срок службы насосов в 2-5 раз. Для
замедления диффузии кислот в термопластические полимеры
предложен новый принцип, заключающийся в использовании
нетрадиционных наполнителей, вступающих в реакцию с про-
никающей средой и тем самым препятствующих се дальнейшему
движению. В качестве реакционноспособных наполнителей
(РСН) применяют порошкообразные материалы, основные и
амфотерные оксиды и гнюроксилы, карбонаты металлов, основ-
ные соли и соли слабых кислот в количестве 0,5- !0 масс%.
Введение PCH
хан плеск их свойств полимеров и резком (пропорциональном)
покрытиях и футеровках.
Перспективными конструкционными материалами, разрабо-
танными в ВНИИКе, являются углеродные и углеродно-полимер-
ные материалы, используемые для изготовления различных
деталей хи
при высо-
ких температурах (до 400’Сна воздухе и до 2000*С - К инертной
среде). Для решения проблемы комплексной з
пых конструкций, сооружений и оборудована
являются силикатополимерные материалы, ко
использованы и в качестве конструкционных.
Наиболее полно удовлетворяют трсбованг
ты стронтель-
труб двухслойные системы полимерных
534 или порошкового полиамида ПА-12АП-1.
Разработан полифениленсильфид (ПФС) - высокомолекуляр-
ный термоотверждающийся термопласт, обладает повышенной
фторуглерс
зм и высокой совместимостью с
Он может найти широкое приме-
не в качестве грунтовочных покрытий для адгезионио-актнв-
добааки под фторполимерные покрытия.
В настоящее время для защиты деталей и узлов авиационной
пики применяются съемные ингибированные составы на
V Наибольшую значимость представляет собой съемный состав
ХП-2, обладающий повышенной коррозионной стойкостью за счет
(ведения в его состав окиси хрома, микроталька и ингибитора
Коррозии. Состав предназначен для защиты металлических
(Йсрхностей в условиях промышленной атмосферы в течение 5
лет и а течение 15 лет - в неотапливаемых помещениях.
Состав ХП-2 может быть рекламирован для защиты алект-
Шборудовання, систем пожаротушения, агрегатов и узлов
Квиационпой техники, работающих в агрессивных условиях.
Покрытие порошковым полимерным пентапластом примене-
на взамен существующих методов защиты от коррозии (футе-
овка листовыми материалами, винипластом и полипропиленом,
«Виицовые оболочки, защита пластизолем).
Применение порошкового полимерного покрытия на основе
(ентапласта позволяет:
I — снизить трудоемкость при защите изделий от коррозии;
- отказаться от применения нержавеющих сталей и титана.
Для улучшения антик
। композицию на
основе эпоксидной диановой смолы, олнгоэфиракрилата и амин-
ного отвердителя дополнительно вводят 4.4 азо-бис (2, 3-эпок-
Мщпропил-4-цианпеитаноат). содержащий эпоксидные группы
(Э.Ч. - 20,7%) и азогруппы (содержание активного азота
14,01 %) и способствующий формированию прострапствснно-сши-
4.3. Гальванические и химические покрытия
Для повышения коррозионной стойкости на поверхность стали
и химические защитные покрытия.
Основными требованиями к этим покрытиям являются:
1. Покрытие должно обладать хорошим сцеплением с основ-
ным металлом.
2. Физико-механические свойства покрытия нс должны пони-
жат., коррозионной стойкости на воздухе.
Кроме того, покрытие должно обладать достаточной эластич-
ностью, т.с. не быть хрупким, и нс должно подвергаться
растрескиванию при переменных напряжениях.
в зависимости от режимов их
нанесения. На детали, изготовленные из сталей различных марок
и других материалов, наносят электролитические осадки разного
цессы: хромирование, жслезнение, никелирование, меднение,
цинкование, кадмирование, оксидирование и фосфатирование.
Для упрочнения и восстановления размеров деталей машин
наибольшее распространение имеют хромирование и железнение.
лирования, покрытие различными сплавами, а также примени-
тельно к деталям из алюминиевых сплавов твердое анодирование
для упрочнения поверхности деталей.
В СНГ в настоящее время наблюдается практическая стаби-
цинкования, которое и далее значительно расширяется. По
данным АСПГ (ассоциация советских инженеров гальванотехни-
ков) родовая потребность в защите металлофонда страны состав-
В настоящее время разработка всех гальванических процессов
производится с учетом экологии, и даже экономически эффек-
тивные процессы, в которых используются токсичные добавки,
не применяются производством. Сейчас разработка новых техно-
логических процессов ведется па основе эконологии (экономика
+ экология). Важной задачей является автоматизация гальвани-
ческих цехов и участков.
Гальваническая обработка изделий используется в настоящее
промышленности.
металлу соответствующие блесообразователи и другие
Повышение коррозионной стойкости гальванопокрытий дол-
10 быть увеличено еще в 2-3 раза по сравнению с покрытиями,
льзуемыми ।
Ъектролиты, обеспечивающие значительное уменьшение вклю-
сний блескообразователей, малорастворимых кислородосодер-
сащих соединений и других загрязнений в покрытиях. Поаыше-
новых типов многослойных покрытий, получаемых сочетанием
Оно- и полиметаллических слоев с разными физико-химическв-
лястся перспективным направлением в дальнейшем увеличении
(ррозиоииой стойкости многих металлов.
Разработ ко электролитов с меныией концентрацией цветных
италлов и электролитов, работающих при пониженной тем-
(ратуре, позволит уменьшить расход металлов и энергии, а
; Также облегчит создание замкнутых циклов, что необходимо и с
ИИбгической точки зрения.
(твуст также разработка блескообразующих и других добавок.
еиых покрытий.
проблемы охраны окружающей
дальнейшие поиски и разработки
I Повышение
Среды делает п<
• области использования менее токсичных и экологически менее
Вредных веществ и электролитов, и особенно исключения
Соединений, наподдающихся биологической очистке.
Г Уменьшению объема трудоемких операций способствует рас-
ширение применения шлифованных поверхностей, для чего
Необходимо разработать процессы с применением новых, более
позволили бы стабильно получать
деленные по всей поверхности покрытия. Вместе с тем, умень-
шение толщин осаждаемых покрытий приведет к значительной
Для получения гальванических покрытий в основном исполь-
зуются дефицитные металлы, такие как никель, цинк, хром. В
связи с этим перспективными являются исследования, направ-
лепные на разработку новых видов покрытий в основном
сплавов, которые имели бы лучшие защитные, защитно-деко|
рост автомат
тизации и механизации гальванических производств, что позщи
лит значительно повысить мощность гальванических цехов,
улучшить качество гальванической обработки, повысить произ»
водительность и создать лучшие условия труда.
Претворение в жизнь рассмотренных тенденций развита»
гальванотехники позволит удовлетворить возрастающие трсбова»
ния к металлопокрытиям в отношении их надежности, долговсм»
пости и других эксплуатационных свойств, к вопросам экономии
материалов, энергии и труда, а также охраны окружающей среди.
Повышение технического уровня гальванопокрытий сдержи-
вается малыми объемами выпуска автоматических гальванически*
лилий н отсутствием спецтехнологнчсского оборудования для
интенсификации процессов и повышения качества покрытий на
серийных линиях. В связи с этим поставлена задача создали»
типажа автоматических гальванических линий, включающих вс»
необходимые установки. Разработав типаж унифицированных
- для линий функциональных покрытий изделий, в т.ч,.
драгметаллами на подвесках с использованием ванн типа УАГП;
- для наиболее массовых покрытий изделий с использованием
ванн линий АГ-24 и "Прогрссс-1”;
- для покрытий больших серий и крупногабаритных деталей
на базе линий АГ-24 (1500 мм) и “Прогрссс-1”;
- для локальных покрытий драгметаллами методом частичного
составе типажа разработаны следующие унифицированные
I. Гальванические и вспомогательные ванны.
2. Автооператоры.
3. Каркасы, вентиляционные отсосы, мостки, сушилки и
другое оборудование общего типа.
Разработай комплекс сервисного технологического оборудова-
ния для комплектации серийных линий, с целью повышения
производительности и качества покрытий:
1. Устройства непрерывной фильтрации электролитов.
3. Электролизеры для
и драгоценных
5. Типовой ряд программирующих источников.
‘ 6. Установки регулирования кислотности рабочих растворов.
‘ 7. Счетчики количества электричества.
1 Таким образом, по состоянию на сегодняшний день разработан
Кетаточно большой набор технических решений, работающих в
мтных образцах установок и линий.
Одним из наиболее эффективных направлений совершенст-
мпням, является применение технологически гибких линий,
«Воляющкх реализовать большое количество технологических
кщсссов при высокой производительности. Такие линии созданы
основе модульных конструкций и развитых систем управления
базе микро-ЭВМ.
Основу гальванических линий, модульной структуры, разрабо-
нных. изготовленных и внедренных ВПТИэлектро, составляют
икциокальные конструктивные модули в виде агрегатирован-
ие сборочных единиц, из которых комплектуются автоматиче-
Йе и механизированные линии различного назначения и
Ьизводитсльности.
льных структур стало возможным
отдавать такие компоновки линий, которые наиболее полно
рвлетворяют требованиям конкретных производственных усло-
I Внутренние модульные структуры показали их широкие
оможиости для обеспечения производительности труда без
конструируемых предприятий.
Линии выполняются однорядными и прямолинейными, с
Щовремснпой обработкой деталей на подвесках и а барабанах,
вид обрабатываемых деталей, нс производя существенных пере-
наладок в оборудовании линии.
Для управления гальваническими линиями с модульной
(структурой разработана автоматизированная система управле-
\ ния, техническую основу которой составляет управляющий
вычислительный комплекс на базе микро-ЭВМ “Электроника-СБ-
12", Система реализует более 10 технологических функций.
I Начинаются работы по созданию современного автоматизирован-
ного оборудования для подготовки поверхности.
F На ПО “Гальванотехника” разработана и изготовлена новая
[ автоматическая автоопсраторная линия защитно-декоративных
I покрытий модели АЛГ-433. Линия предназначена для никелиро-
I вания-хромирования стальных деталей на подвесках. Приизво-
I дитсльность линии от 8,5 до 15 м2/ч, толщина покрытия от 6
до 24 мкм. Линия может работать по 14 программам поперсменн
никелирование-хромирование в различных комбинациях I
Линия разработана на базе малоотходной технологии.
промывки с автоматическим пополнени
хромирования по мерс испарения и ун
тратон из ванн экономной промывки.
ванн никелирования
В настоящее время принято различать понятия гальвачоплв
стики и электролитического катодного формирования, хот*
дающих заданными физико-механическими свойствами.
Особенно часто данный способ изготовления металлически!
изделий используется в тех случаях, когда необходимо получит
определенную фактуру. Электролитическим катодным форми-
рованием изготавливают вставки для пресс-форм, штампы И
формы для литья под давлением. Таким образом производят
волноводы, микроволновые отражатели, сетки и фольги, экраны,
трубопроводы, рефлекторы, диафрагмы, циферблаты, элемент»
механизмов н т.д. Кроме того, имеются сведения об изготовлении’
электролитического формообразования в последние годы все
более широко применяется при изготовлении электродов-инстру-
ментов для электроэрозийной обработки.
Метод электролитического формирования имеет следующие
основные преимущества:
- высокую точность в
;ской формы
- способность к точному копированию микрорельеф;! повер-
- низкую трудоемкость изготовления;
- небольшой объем локально-доводочных работ;
- получение изделий сложной конфигурации.
Недостатками этого метода являются длителыюстьпроцссео
изготовления изделий из-за низкой скорости осаждения металла
и сложность получения деталей с очень высокими выступами и
глубокими впадшгами вследствие неравномерности распределения
тока и металла по поверхности модели.
Основными факторами, ограничивающими скорость осажде-
ния металлов, являются диффузионные ограничения по разря-
дюишмея ионам, резкое увеличение шероховатости поверхности
ростом толщины осадка, снижение рассеивающей и ухудшение
вхрорасссиваюшсй способности электролита при увеличении
1ЛОТНОСТИ тока. Устранить концентрационную поляризацию, т.е.
шиеитрации ионов металла в растворе, а также увеличением
Широкое распространение в практике западных фирм, заии-
ИЮщихся формообразованием, получил процесс “Ni-Speed”.
Нанни в процессе “Ni-Speed" с высококонцентрированным суль-
аминовокислым электролитом позволяет работать на плоских
Мины, что соответствует скорости осаждения никеля до 1 мм/ч.
» Скорость осаждения металла может быть существенно увели-
чена при уменьшении толщины диффузионного слоя и повыше-
нии скорости массоподвода к электродной поверхности. Среди
Множества методов перемешивания электролита в последнее
время предпочтение отдается созданию турбулнзированного по-
тока электролита между катодом и анодом.
[ Работы, проводимые в НПО “ЭНИМС", направлены на
опадание технологического процесса, а также оборудования для
аороетногп электроосаждения металла, которые позволили бы
устранить недостатки этого способа. В настоящее время разра-
ботан технологический процесс и изготовлен макет специализи-
рованного электрохимического станка модели БС44061М для
изготовления медных электродов-инструментов для элсктроэро-
, знойной обработки. Скорость электроосаждения меди в зависи-
мости от геометрии модели колеблется от 200 до 700 мкм/с.
‘ Широкое применение никеля в электролитическом формиро-
вании обусловлено его хорошими фиэнко-механнческими свойст-
вами н устойчивостью к воздействию коррозионной среды. Для
Повышения твердости и прочности никеля предложено вводить в
электролит добавки солей кобальта взамен органических веществ,
так как последние обычно содержат серу, которая включается в
осадок и вызывает его охрупчивание при высоких температурах.
К Следует отметить высокую твердость и прочность сплава
никель-кобальт. Наибольшей твердостью HV - 450-480 МПа
обладают сплавы с содержанием 30-40% кобальта. Прочность
сплава составляет 150+2000 МПа, относительное удлинение -
12-15%. Износостойкость сплава увеличивается по мере повы-
шсння твердости и i
роста внутренних напряжений растяжения. Результирующее
Наибольшее распространение для электролитического форми-
рования получил сульфаминовокислыйэлехтролит, позволяющий
осаждать металл с низкими внутренними напряжениями при
соответствующих условиях электролиза.
Выбором усл
аждения можно получать осадки
с минимальными внутренними напряжениями и с высокими
Для создания процесса скоростного электролитического фор-
мообразования сплавом никсль-кобальт НПО “ЭНИМС" создана
опытная установка на базе существующей установки ГУ-1,
Электролит из бака вместимостью 300 л подается насосом в
ванну с расходом, обеспечивающим турбулентяций характер
течения раствора в зазоре между анодом и катодом-моделью, a
затем возвращается обратно в бак. Анод выполнен в виде
толстостенной трубки, через которую электролит поступает в
межэлектродный промежуток. Катод-модель устанавливается на
стал, к которому подсоединен отрицательный полюс источника
питания технологическим током.
В работе установки предусмотрена очистка электролита от
механических примесей в фильтре, очистка от органических
примесей активированным углем, а также от примесей неорга-
нических ионов проработкой постоянным током, для чего пред-
назначены электроды. В качестве фильтрующих элементов
трубки,
из титанового порошка.
стеклопластиковых электронагревателей (НЭСТ), суммарной
батареи, либо на очистку электролита постоянным током.
Имеется также вспомогательный источник питают и ротаметр.
Особенностью конструктивных решений в установке является
максимальное использование неметаллических материалов и
тигана для изготовления всех деталей, соприкасающихся с
электролитом, а также выбор соответствующих комплектующих
изделий (керамического насоса X 20/31-Ф, стеклопластиковых
электронагревателей, пластмассовых вентилей и т.д.).
По способу защиты основного металла металлопокрытия,
представленные в табл. 3.1, могут быть разделены на анодные
(даже будучи пористыми или поврежденными) за счет их
предпочтительного коррозионного разъединения, тогда как по-
крытия более благородными металлами, которые употребляются
стойкости, будут в таких условиях ускорять коррозию металли-
ческой подложки.
Анодные покрытия (в особенности пористые) необходимо
Защищать порозаполннтельным составом (шпатлевкой, гермети-
ком) или красками, особенно при воздействии кислотных сред,
Следует принять основное решение относительно оптималь-
го металлопокрытия и способа его нанесения, выяснив слс-
качестве покрытия металл будет
может обеспечить необходимую толщину стоя
• виду опасность образования микротрещин при нанесении
тонкослойных покрытии хрома, радия или твердых сплавов,
Соотношение между скоростью коррозии покрытий из осаждаемых
металлов и экономическими, а также техническими ограничени-
Виды металлических покрытий на стали
операцни подготовки поверхности перед покрытием, нанесения
его и полирования (если нужно).
Подготовка поверхности деталей перед покрытием произво-
дится шлифованием (перед нанесением металлических покрытий
гальваническими методами), дробеструйной обработкой (для
фосфатирования и др.), а также химическим способом (обезжи-
С точки зрения защиты от коррозии в общем случае
предпочтительны следующие способы очистки поверхности: об-
стали; механическая очистка - для меди (с последующей
обработкой водным
и 5% технической
кащнм 5% хлорида цинка
), цинка (с последующей
промывкой растворы фосфорной кислоты за которой должно
следовать удаление цинковых солей).
Регламентированный профиль поверхности после обдувки
(амплитуда углублений и их форма) должен соответствовать
сти и сцеплению подлежащего нанесению покрытия.
Максимальные амплитуды пиков профиля поверхностей (в
мкм) рекомендуются следующие: для грунтовых полуфабрика-
тов - 50,8; для стандартных красок - 7,62*101,6; для толсто-
127,0*203,2; для электроосаждения металлов - 50,8.
При выборе способа обработки поверхности необходимо
соединяемых материалов (табл. 3.2).
крытнй надо избегать употребления
До
Таблица 3.2
ки поверхностей типа
трубных деталей перед нанесением гальванопокрытий применя-
ется иглофрез
г с последующим поверхностным пластиче-
ским деформированием (ППД). Указанный технологический
процесс является высокопроизводительным, повышает культуру
производства и является
обеспечивает получение л
Процесс
следующих пределах: среднее арифметическое отклонение про-
филя Ra-O.28-O.35 мкм; наибольшая высота поверхностей R^-2-З
мкм; средний шаг неровностей Sm=55O-7OO мкм; микротвердость
поверхности детали HV=2210-2540 (исходная HV=1600 - сталь
Для отмывки стальных и алюминиевых деталей от жировых
загрязнений в последнее время стали использовать моечные
машины типа “АКСОД” и “КМСУ". Широкое распространение
находят машины струйного типа АКСОД-301М в машина для
ультразвуковой мойки АКСОД-301МУ, для сушки используется
машина АКСОД-301С. Эффективная чистка деталей осуществ-
ляется на автоматизированных установках. Комбинированная
моечно-сушильная установка КМС2-5 является мощным агрега-
том, состоящим из трех вапн мойки и промывки и сушильной
камеры, позволяющим производить очистку как мелких, так и
крупногабаритных деталей. С успехом в машиностроении стал
применяться роботизированный моечно-сушильный комплекс,
состоящий из машин АКСОЛ-301МУ, АКСОЛ-301М и АКСОЛ-
301 С. Наибольшее распространение при мойке сейчас нашел
Синтапол-ДС-10, который в комбинации с щелочными компонен-
применяются также моющие средства МС-6, МС-8, типа “Лабо-
мил”, для электрохимической мойки находит применение сред-
ства “Элва", разработанное ВНИИПАВ.
разработа-
Московским заводом шт
остатки которых с поверхности металлических изделий легко
удаляются при мойке в слабощелочном горячем растворе (20-30%
карбоната натрия).
Хромирование
Главным направлением в области хромирования в последнее
тов с уменьшением концентрации хромового ангидрида до 60-80
г/л. Слабоконцентрированный злектролит имеет наиболее вы-
сокие выход по току, рассеивающую способность и твердость,
однако очень не стабилен (соотношение хромового ангидрида и
серной кислоты меняется быстро). В последнее время разработаны
рования, позволяющие длительное время стабильно работать без
корректировки. Следует отмстить, что разбавленные электролиты
значительно снижают загрязненность сточных вод и потому
ваны для применения во многих отраслях промышленности для
покрытия деталей, когда не требуется осаждения толстых слоев
Другим технологическим направлением, дающим положитель-
ный эффект, является применение саморегулирующихся холодных
хромитов хромирования с высоким выходом по току
#%). Следует отметить, что еще слабо используются в
сна, а также титана и
стом вечернем металлургическом институте).
№ Легирование хрома ванадием и молибденом позволяет получать
Покрытия с высокой износостойкостью и коррозионной стойко-
стью, которые эффективно могут использоваться при работе в
средах с повышенной агрессивностью. Легирование хрома тита-
ном и цирконием приводит к получению износостойких, пластич-
ных, гядростойких, химически стойких покрытий. При соосаж-
дсини хрома с этими металлами значительно снижается наводо-
эименсние легированных хромовых покрытий следует расши-
ть в самых различных отраслях промышленности.
Хромирование используют для увеличения износостойкости,
ердости, химической стойкости н прирабатываемости без
ров изношенных деталей, а также для декоративных целей.
по внешнему виду и по физическим и
механическим свойствам. Для улучшения адгезии с металлом и
получения химически стойких покрытий наращивание хромом
часто осуществляется с подслоями из других металлов.
Хромирование получило самое широкое распространение
среди гальванических покрытий. Причиной такого быстрого и
широкого распространения являются высокая химическая стой-
кость и износостойкостьзлектролитическогохрома. В процессе
хромирования не нарушается структура металла изделия.
Нанесенный слой хрома имеет высокую износостойкость (при
толщине покрытия 10.400 мк>. Обработанная таким способом
поверхность хорошо сопротивляется коррозии, воздействию вы-
соких температур и органических кислот. Такое покрытие
наносится на сталь, чугун, медь, латунь и другие металлы.
Нанесенный хром имеет надежное сцепление с основным метал-
Хромирование ведется в двух направлениях:
- защитно-декоративное;
хромировании изделия перед
Толщина слоя хрома при этом достигает 0,1-0,2 мкм. Таким
образом хромируют обычно блестящие части автомобилей, вело-
сипедов, детали всев
н др. Хромирование с
целью повышения износостойкости детали, в отличие от защит-
Толщина слое нанесенного хрома при этом достигает 0,15-0.20
: хромированных
пуск и наклеп
деталей применяют высо
поверхности перед хромированием. Детали, покрытые хромом,
различные свойства эксплуатируемым покрытиям) могут быть
разделены на три условные группы. В первую группу включают
детали, покрываемые хромом с целью восстановлештя размеров
и создания прессовых плотных посадок. В качестве примерно»
номенклатуры первой группы хромируемых деталей можно
подшипников скольжения. Вторая условная группа состоит из
трущихся деталей, работающих при малых и средних удельных
давлениях и окружных скоростях, при постоянной или перемен-
ной нагрузке. К таким деталям относятся валы, плунжеры,
цилиндры, поршни, мерительный инструмент. К деталям третьей
группы могут быть отнесены детали, работающие при больших
удельных давлениях и значительных знакопеременных нагрузках
и требующие максимальной прочности сцеллспня слоя хрома с
поверхностью деталей и вязкости осадков хрома. В машиностро-
гергаются не только
детали, работающие в условиях динамических нагрузок (напри-
мер, в автомобильной промышленности: ось шестерни, поршневые
кольца двигателей, крестовина кардана в др.), во и детали,
работающие без перемещения.
Усовершенствование системы защитно-декоративных покры-
тий способствовало созданию процесса черного хромирования
износостойкости
не ослабевает. Это связано не только со спецификой цвета, но
н с повышенной коррозионной стойкостью черного хрома,
особенно в сочетании с цинковым подслоем.
Сравнение коррозионной стойкости покрытий типа цинк -
черное хромирование и циих-черный хром показало, что макси-
мальная стойкость черных хромированных покрытий составляет
48 ч до появления белой коррозии цинка при испытании в камере
соляного тумана. У деталей, покрытых цинком и черным хромом.
. тех случаях, когда они равноценно заменяют защитно-декора-
тнвные покрытия типа
При этом
НИИТавтопромом совместно с Ленинградским карбюратор*
-ар.матурным заводом проведены многофакторные испытания
покрытий цинк-черный хром. Испытание партий стеклоочисти-
телей, ИЗГОТОВЛСШ1ЫХ из стали 08кп с покрытием цник-черный
кром, показало, что по коррозионной стойкости они могут
.заменить остродефицитную нержавеющую сталь.
Для защиты от коррозии деталей трения судовых механизмов
машин широко применяются двухслойные хромовые покрытия
(молочный + блестящий).
Легирование хромовых покрытий переходной структуры до-
бавками молибдена 0,3% улучшает коррозношю-защитные свой-
ства хрома (табл. 3.3).
Таблица 3.3
Антикоррозионные свойства хромовых покрытий
переходной структуры
Хромированию подвергаются как малонагруженцые, так и
. высокоиагруженпые детали, напряжения в которых циклически
изменяются в течение рабочего процесса. При хромировании
наблюдается понижение сопротивления усталости (до 22%), что
объясняется большими растягивающими напряжениями, возни-
кающими в слое хрома при его формировании в гальванической
сопротивление усталости. Если по условиям эксплуатации детали
подвергаются высоким циклнческ
тся напряжениям,
то необходимо учитывать, что при хромировании их также
статическими нагрузками, при хромировании не изменяется.
покрытия в основном зависит от состава электролита, плотности
тока, температуры и интенсивности перемешивания ванны.
[Осаждение электролитического хрома включает следующие
операции: подготовку поверхности наращиваемых детален; нане-
сение в ванных слоя хрома; последующую механическую и
термическую, а иногда
Наибольшее практическое применение нашло хромирование в
саморегулирующемся электролите. Это объясняется прежде всего
высокой производительностью и i
ков, возможностью получать толстые слон хрома хорошего
качества и широким диапазоном использования этого вида
хроь
для наращивания как износостойких,
так и защитно-декоративных осадков на разнообразных деталях
характеристиками, особенно при сухом трении.
Заменой хромовым покрытиям при восстановлении размеров
покрытия на основе железа, никеля и хрома, при нанесении на
пары трения покрытия сплавами и композиционные покрытия.
Износостойкие хромовые покрытия наносятся для повышения
износостойкости различных трушихся деталей, инструмшгта,
покрытия деталей штампов и т.д,, для восстановления размеров,
изношенных или бракованных деталей. К этому виду покрытий
необходимо отметить, что в целом ряде случаев между твердостью
и износостойкостью хромовых покрытий нет пропорциональной
зависимости, так как износостойкость характеризуется также
вязкостью и пластичностью покрытия и зависит ог условий
прирабатываемости, смазки и эксплуатации хромированных де-
талей. Наиболее эффективно хромирование при работе деталей
зми не более 250-300 МПа.
с уде
Износостойкие и твердые хромовые покрытия можно неоос-
- углеродистые стали (как закаленные, так и незакалениые);
- малоуглеродистые стали с малым содержанием хрома и
При хромировании высоколегированных сталей с большим
содержанием никеля, хрома, вольфрама, марганца, а также
азотированных, цементированных или циаиироваиных сталей
Не рекомендуется подвергать хромированию ст
содержанием вольфрама, марганца, кобальта, грае
чугуиа, латуни с содержанием свинца более 2%.
। Способ восстановления деталей хромированием имеет и
существенные недостатки. При толщине слоя хрома более 0,3
чем при нанесении более тонких слоев. Процесс хромирования
очень медленный: слой толщиной 0,015-0,03 мм откладывается
в течение часа. Поэтому нецелесообразно восстанавливать хро-
механически трудно обрабатывется. Процесс восстановления
больших затрат электроэнергии и времени. Кроме того, хромовые
соли являются дефицитным материалом.
Изменяя режим наложения тока, применяя специальные
технологические приемы, можно значительно повысить допуска-
емую плотность тока и выход хрома по току в сульфатных
Электролитах, интенсифицировать сам процесс нанесения покры-
тия, хромировать сложнопрофнлированные изделия, имеющие
тубокие внутренние поверхности и пазы.
Ведение процесса в проточном электролите позволяет
хромировать цилиндрические изделия большой длины и малого
диаметра, а также внутренние, сравнительно малые, поверхности
вдров автомобильных
крупных дет
Вще большие плотности тока - порядка 200-300 А/дм2 -
позволяет достичь анодно-струйный метод хромирования.
Сущность этого способа заключается в том, что струя электро-
лита, идущая со скоростью протока, достигающей 50-10010'2 м/с
через специальные сопла, являющиеся анодами, попадает на
поверхность, подлежащую хромированию.
Наложение ультразвукового поля в процессе хромирования
позволяет повысить катодную платность тока до 180 А/дм2 и
выше, улучшает кроющую способность электролита, хотя и не
оказывает существенного влияния па рассеивающую способность.
Одним из методов улучшения физико-механических свойств
хромовых покрытий является ведение процесса на токе перемен-
ium полярности.
Применение импульсного тока повышает выход хрома по току
до 19-21%. Эго также позволяет значительно интенсифицировать
процесс хромирования.
Таблица 3.4
Режимы хромирования в проточном электролите
т—
3-20 100 60±3 57-63 75-S0 20-22 20-21Л 19,5-20
30-100 80±5 120±5 SS±3 60±3 14(Ь160 2Г-23
Последовательность технологических операций процесса хро-
в таблице 3.6. Приведенные в этой
почивают получение хромовых покрытий с необходимыми
зателями качества (износостойкие, защитно-декоративные
покрытия в соответствии с требованиями производства.
Таблица 3.6
Типовой технологический процесс
j khtai
ш I' ' ' s 8
h I '
г» I ' ' ' t A
H U I x • •
hMililLl
jl_ ill s г hhl
H| iHh ih ih
ll! III fl li
IE « -
I и ILlil
llii й кЙ 5 s
•
8 i
1 ШШ illl
н dlHilhilh d*i iiitl
Mill III ill
l«l, 5 11 111
II’-
IULl
688
689
'|!!г "Г
Нанесение одной из автонитрозмалей Ne 624а. 624с, для автоз.о'жлей, для автомобилей пли нитроэмали № 924
IV вариант
Пескоструйная - Маслостойкис
нитроэмали N» 624а (четыре-пять слоев} 22-И 1»-а воздействию низких
2. Устойчивые в юпервале от >200 до -100'С
Пескоструйная -
химическом
Нанесение грунта |«-20 110-120 • газообразных продуктов.
Нанесение лака алюминиевой иудры 120 *
3. Устойчивые в интервале темпе| ату р от +60 до-120’С
Пескоструйная
холодильных установок.
Нанесение грунта 18-20 18-23 1
1111 20-22 18-23 »
ли эмали ХВ-113 20-24 18-23 3
или эмали ХВ-124 20-24 18-23 3
Тавааапнасвж режжы
4. Устойчивые в интервале температур от *200 до -196*С
Пес«ос.ру>.и» Защита кислородных
Нанесение грунта IK-20 18-23 0.5
АС-730Нм«*Ас"735 20-22 loo-no 1
1. Негорючие покрытия
Пескоструйная -
С-3(п) белой или 18-20 эк»
(три-четыре слоя) рнмции)
11 вариант
Пескоструйная Окраска оборудования с целью предохранения от распространения
хлоркаучуковой 18-20 4-18
III вариант
Фоеф.тромиие
Нанесение масляной Ю*20% Д МСНИСМ анткпиреновбуры.
691
Износостойкость режущего luicrpyxeina в результате хромнро-
инструмента в 5-10 раз.
Для удаления влаги, которая остается на их поверхности после
промывки в воде, проводят сушку.
Рекомендуемые режимы сутки хромированных деталей сле-
дующие:
- при обдувке сжатым воздухом ГС=18»25, продолжительность
сушпльном шкафу t*085+100, продолжительность 5-10
Получение малонапряжешсык хромовых осадков обеспечивает
получение осадков без пор или при малом их количестве. Это
дает основание такие покрытия рекомендовать в качестве
герметичных. В табл. 3.7 даны рациональные режимы получения
ла рис. 4.1 - технолотческие схемы получения их.
Один нз путей совершенствования качества и снижения брака
хромовых покрытий хак одного из основных видов ашикорро-
Применяется вольтамперометрическая методика экспресс-
анализа серной кислоты в электролитах хромирования. На ее
основе во ВНИИНаучприборе (ЛНПО “Буревестник") разрабо-
тан макет вольтамперметр СЭХ-1. Прибор состоит из програм-
матора ПР, потенциостата П, цифрового вольтметра В типа
Ф-214/1,
ЯЭ с вращающимся оспов-
и вращения основного влек-
Программатор вырабатывает постоянный сигнал, либо пилооб-
разное напряжение развертки. Потенциостат П представляет
собой систему автоматического регулирования потенциала элск-
выходе ПР. Регулятор PC, являющийся системой автоматического
регулирования с обратной связью по скорости вращения, поддер-
живает скорость вращения основного электрода на заданном
уровне с определенной точностью. Устройство УУ обеспечивает
алгоритм работы прибора в автоматическом режиме. Измеритель-
ная информация индуцируется на цифровом вольтметре В.
Основным электродом служит вращающийся микрокатод-плати-
новая проволока диаметром 0,5 мм, впаянная в стеклянную
трубку, вспомогательным - платина, свинец, графит, электродом
сравнения - хлорсеребряный электрод типа ЭВЛ-1М. Электрод
мостнком во избежание попадания туда хлор-ионов. На
вращающемся со скоростью 1900-16,7'1О'* об/мин микрокатоде
снимается потенциальная кривая, на которой есть максимум тока.
при прочих равных услс
содержанию
Сульфатомер СЭХ-1 автоматически выполняет следующие
операции:
- предварительное хромирование микрокатода в анализируе-
мом растворе при 11=125 В в течение 200 с перед съемкой кривых:
- пятикратную пилообразную развертку потенциала со ско-
ростью 0,02 В/С и длительностью заднего фронта 50 м/с, в том
числе два холостых хода, при которых поверхность “прирабаты-
вается", и три рабочих хода кривой;
- определение максимальной величины тока на трех рабочих
ходах кривой с помощью пикового детектора и индикация ее па
цифровом вольтметре.
Основной электрод закрепляется на шпинделе электропривода
Н,5 В до
ну/
регистратора, кроме цифрового вольтметра, может также исполь-
зоваться самопишущий двухкоординатный потенциометр типа
Л КД (ПДП). При использовании цифрового регистратора в
автоматическом режиме он подключается на 3, 4 и 5-ом ходах
кривой по достижении током максимального значения Im:
пока оператор не сбросит его. Эти три показания усредняются
сравнивается с калибровоч-
оператором, и
ным графиком. Кроме автоматического, в приборе есть ручной
режим, когда он работает в качестве маломощного потенциостата
общего назначения с выходным током 1^,- ± 10 МА, выходным
напряжением “ ± 10 В и диапазоном потепциостатировання
Рекомендации производству. Типовой технологический про-
цесс хромирования выполняют по схеме:
- электрохимическое анодное либо химическое обезжирива-
- промывка в теплой воде, промывка в холодной воде;
декапирование;
- промывка в холодной воде;
- анодная обработка;
- хромирование; улавливание хрома из электролита;
Ванна химического трабления
- обработка в растворе мстасульфнта натрия;
- промывка в холодной воде, сушка;
- обезводороживание (по мере необходимости).
Хромируемую поверхность предварительно шлифуют или
; Электромеханическое обезжиривание проводят под воздейст-
вием постоянного тока в щелочных растворах следующего состава
(л/кг воды): едкий иатр 0,025-0,035; сода кальцинированная
0,025-0.035; тринатрийфосфат 0,010-0,020; жидкое стекло 0,003-
0,005. Аводы изготовляют из никелированной стали, обычной
стали или никеля. Процесс электрохимического обезжиривания
следует вести при температуре 80-90'С, плотности тока 500-1000
А/м5 и напряжения источника тока 12 В. Продолжительность
При обработке в барабанах напряжения источника тока устанав-
ливают 16 В; продола
бтки на катоде в этом
химического обезжиривания и режимы обработки приведены в
Таблица 3.9
Составы растворов для химического обезжиривания
и режимы обработки
с помощью воздуха.
водяным душем или путем погружения в
устройством для перемешивания деталей
поверхности обрабатываемых изделий тонкой пленки окисло в.
ванная), (*1О»25’С, продолжительность 0,15-3 мин;
- в теплой (водопроводная питьевая, концентрат или деми-
нерализованная), 1=50т60'С, продолжительность 0,15-3 мин;
- в горячей (водопроводная питьевая, концентрат или деми-
нерализованная), 1=80-90'С, продолжительность 0,15-3 мин.
Режимы химического декапирования следующие:
- при содержании кислоты, кг/л воды 0,4-0,6 H2SO4,
|=18т25'С, продолжительность 0,25-3 мни;
- при 0,09-0,11 HCI, в»18+25'С, продолжительность 0,25-0,5
стандартном универсально разведенном электролите различной
концентрации либо в саморегулирующемся. Составы электроли-
тов и режимы обработки приведены в табл. 3.10 и 3.11.
Скорость протока электролита поддерживают в пределах 1-50
этими величинами от 1:200 до 1:40. При этом выход хрома по
току составляет 45-60%, и более чем в 10 раз возрастает скорость
осаждения хромового покрытия. Полученные по описанному
1050-1150.
Перед хромированием изделия необходимо прогревать непос-
редственно в ванне для хромирования, а затем анодно декапи-
ровать в течение 0,5-1 мин при плотности тока 3500-4000 А/м2.
При хромировании изделий сложной формы следует на 1-2 мин
увеличить плотность тока в 2 раза.
Таблица 3.10
Составы электролитов, режимы обработки, материал анодов для хромирования
Режимы обработки
Fcdm обработка ^.мш/аа.
txwwc.v u//"*
Раз ведений 45-60 4500-6000 0.6 Сплав свинец-сурьма (Sb до 8%) или свинец-олово (Бпдо 10%).
45-35 3000-4000 Свинец (для внутренних фигурных анодов), сталь (для внутренних анодов при хромировании узких отверстий).
’итиверсаль 85-55 2000-5500 0.2-0.7 Сплав свинец-сурьма tSbao 8%) или свянец-олово (So до 10%). свинец (для внутренних фигурных анодосО. сталь
pyuuwIU. 53-60 5000-8000 1.0 Сплав свинсц-олоео (5пдо 10%).
50-60 5000-8000 Свинец (длс внутренних анодов).
55-65 4000-8000 - То же.
Одним из
ервалов является железо и его
сплавы с углеродом (стали), марганцем, никелем, фосфором и
другими металлами. Основная область применения покрытий на
машин. В отличие от хромирования, применяемого для той же
цели, железнение отличается большей скоростью осаждения,
возможностью получения толстых (до 3-5 мм) слоев осаждаемого
железных покрытий зависят от состава электролитов, режимов
электролиза и методов обработки поверхности деталей перед
нанесением и после осаждения покрытия. Твердость железных
покрытий колеблется в широких пределах; для хлоридных
электролитов она может составлять 1,8-8,0 ГПа, сульфатных -
3,5-4,5 ГПа, сульфатно-хлоридных - 6,0-7,0 ГПА. Для жслезнс-
ния используют сульфатные, хлоридные, фторборатные и сме-
шанные электролиты. Для нанесения износостойких покрытий,
главным образом, применяют хлорвдиые электролиты. В послед-
нне годы все большее применение находит холодныйэлектролит
с аскорбиновой кислотой, которая предохраняет его от окисления
напряжениями при повышенных плотностях тока. Из хлорцдных
электролитов с аско|
получать пористые
и обеспечивают хорошую прирабатывасмость н работоспособ-
ность. Перспективными электролитами железнения являются
также холодные электролиты на основе солей органических
кислот (метисульфатшяй, феполсульфоновый, сульфосалицило-
вый, цитратный > др.). Они не агрессивны, стойки к окислению,
готовятся из доступных и дешевых исходных веществ. Покрытия,
кую твердость н износостойкость.
В настоящее время все больше применяются сплавы железа
с углеродом, фосфором, бором, марганцем, никелем, хромом и
другими металлами. Железофосфатный сплав имеет твердость
тки HV 10-14 I
его более.
Высокой износостойкостью обладают сплавы железа с бором,
марганцем и никелем, эта твердость их невелика HV 4-6 МПа.
обладают физико-механическими свойствами, близкими к свой-
ствам стали. Этот процесс называют также процессом остали-
вания. Он отличается высокой производительностью, а матери-
алы, необходимые для приготовления электролита и ведения
железных покрытиях, как и во многих других покрытиях, при
наращивании возникают внутренние растягивающие напряжения.
При этом чем тверже покрытия, тем выше в них внутренние
напряжения. При определенных условиях эти напряжения могут
превзойти временное сопротивление материала покрытия разрыву
надежной сцспляемости его с основой и отслаивание, высокую
прочность сцепления электролитических железных покрытий с
материалом основы обеспечивает анодное травление наращнвае-
их ортофосфорной и
мой поверхности в
серной кислот (4:1 по объему) при температуре, близкой к
температуре электролита для остал ива ния и анодной плотности
тока 10 А/м2 в течение первых 10-15 мии для пониженной
катодной плотности тока (4-6 А/м2) с последующим постепенным
доведением ее до заданной величины (в течении 2/3 мин). При
анодном травлении растворяются и удаляются оксидные, жировые
и коллоидные пленки, обнажается структура металла. На
протравлетюй поверхности образуется пассивная пленка. Деталь
нагревается до температуры электролита для осталиваиия. При
наращивании железа на подготовленную таким образом поверх-
ность пассивная пленка легко разрушается. Ее восстанавливает
водород, выделяющийся на детали одновременно с металлом.
поверхности, имеющей обнаженную структуру. Наводороживания
наращиваемой поверхности и первых слоев покрытия в этом
случае не происходит, так как водород связывается при восста-
прочность сцепления железных покрытий с основой получается
при использовании в начале электролиза ассиметричного тока.
Получаемые электролитическим путем железные покрытия
HV
в зависимости от условий
125-725. Таким образом, диапазон твердости электролитических
железных покрытий почти полностью перекрывает диапазон
твердости автотракторных деталей, подвергаемых восстановле-
нию с применением металлопокрытий. В связи с этим открыва-
ются широкие возможности для использования электролитиче-
ских железных покрытий для восстановления автотракторных и
других деталей. Влияние основных условий электролиза на
твердость электролитических покрытий, в частности электро-
литического железа, представляется в общих чертах следующим
образом. Понижение температуры электролита при неизменной
величине катодной плотности тока, а также повышение катодной
шютностн тока при постоянной температуре электролита сопро-
вождается повышением катодной поляризации. Для многих
основным вилом включений является водород, который в зави-
симости от условий электролиза может присутствовать в покры-
тин как в атомарной, так и в
ах, а также в
составе химических соединений - гидридов. Повышение поляри-
зации ведет, кроме того, к увеличению скорости движения ионов
металла, особенно в плотной части двойного электрического слоя,
где градиент потенциала достигает величины Ifl’-lO* в/см,
выделяемая при разряде ионов металла на катоде энергия
вызывает кратковременное, но весьма значительное повышение
: температуры в микрообъемах покрытия, что приводит к измене-
нию его микроструктуры и объясняется также тем, что при
повышении поляризации на катоде увеличивается количество
центров кристаллизации. Покрытие приобретает при этом более
мелкозернистую структуру и становится более твердым. При
условии обеспечения высокой прочности сцепления покрытий с
материалом из хлористых электролитов средней концентрации
твердостью от 1,25 до 7,25 ГПа. При этом изменение твердости
условий электролиза - катодной плотности тока, состава и
температуры электролита.
Поскольку твердость большинства подвергаемых восстапоале-
железные покрытия могут быть с успехом применены для
восстановления большой номенклатуры таких деталей, тем более,
что служебные свойства деталей, восстанавливаемых сталнваив-
в процессе образования покрытий твердость электролитических
железных покрытий может служить критерием оценки работо-
покрытий, т.к. позволяет с достаточной степенью точности судить
и об износостойкости покрытия, и о его влиянии наращенного
покрытия на сопротивление усталости восстанавливаемых дета-
Техиические параметры процессов электрохимического хро-
мирования и железнення приведены в табл. 3.12.
Таблица 3.11
Технические параметры процессов электрохимического
хромирования и железнения
Основная область применения железных покрытий - восста-
новление изношенных стальных деталей. В отличие от процесса
хромирования, применяемого для этой же цели, железнснис
отличается большой скоростью осаждения.
После шлифования железнешше детали можно подвергать
термической обработке нля хромировать.
электролиты.
Никелирование
Распространенным методом для предохранения поверхностей
деталей от воздействия коррозии является также никелирование.
Никелированию подвергают не только малоиагруженные детали,
но я высоконагруженные, напряжения в которых в процессе
эксплуатации циклически изменяются. Никелирование применя-
ют также для отделки деталей с декоративными целями. При
покрытие
поверхностей. При применении никельфосфатных покрытий
желательно применение термической обработки.
Термическая обработка никельфосфорных покрытий заклю-
чается в нагреве детали в инертной атмосфере и выдержке ее в
течение 1 ч. при температуре 400’С После осуществления
процесса никелирования в специальной Bainie с горячим раство-
3-10% фосфора. Они обладают высокой антикоррозийной стой-
костью. Твердость таких покрытий HV4,5t4,8 МПа. Химическим
Никелированием упрочняют золотники, иглы, ниппели, поршни
др. детали. В случае применения химического пикетирования
детали можно изготовить из обычных углеродистых сталей.
При никелировании деталей происходит снижение их сопро-
тивления усталости (примерно па 30%). Следовательно, инке-
на усталость, нужно применять
иженнс сопротивления усталости
вющими напряжениями, которые
: большой<
возникают в слое никеля. Тах же как и хромирование,
яихелврованне не влияет на прочность, определяемую статиче-
скими нагрузками. Особо ценным является для металлов, под-
аергнутых никелированию, то, что у них не наблюдается
снижения ударной вязкости.
рактерны мелкокристаллическая структура и плотность, высокая
коррозиош1ая стойкость, сочетающаяся с хорошими антифрикци-
онными свойствами. Осадок имеет также сравнительно низкий
коэффициент трения в парс с чугуном по сравнению с парой
“хром-чугун", большую твердость и износостойкость после
термической обработки. Скорость осаждения износостойкого
покрытня, составляет 4 мкм/мин.
Применение износостойкого никелевого покрытия взамен
□нового позволяет значительно повысить производительность
оцссса нанесения покрытия, сократить потребность в электри-
чкой энергии, улучшить условия труда работающих.
Условия электролиза: pH 3,5-4,0; t=5O±PC; j-2*20 А/дм2.
Условия термообработки: 1=400,С;т~1 ч.
Твердость, HV
до термообработки, МПа - 3,00-4.00
после термообработки, МПа - 8,00-9,00
Напряжение. В - 30
Процесс внедрен на Мичуринском автоагрегатном заводе.
Пресс-формы и литейные формы (например, из стали
4Х4ВМФС) для литья деталей из алюминиевых сплавов (напри-
мер, АЛ-2) под давлением рационально упрочнять осаждением
9-12 мкм сплава ннкель-вольфрам.
В электролит вводить в виде суспензии от 2,5 до 5%
мелкодисперсных (менее 4 мкм) частиц карбида кремния (твер-
дость около HV 2500). Процессы вести при катодной плотности
тока 5 А/м2, температуре электролита бО'С: материал анодов -
никель НПА1. Составы электролитов для комплексного никели-
рования приведены в табл. 3.13.
Таблица 3.14
Составы электролитов и режимы никелирования
Катмч«т»о дсшестм. г/д »одм Ражи pfcnt
II L 1 1 1 ill 1 li 1 j 1 { 1
То же, скоростной 5 30 50 2.0-35 50-60
То же, блестящего никелирования 20ОМ00 - 5-15 - 30 5.8-63 4S-SS 1-3
Борфторястоводоролный - 300 30 2.7-34 25-50 5-10
Сул ьфая нновы й 250-300 2-3 250-350 25-30 35 25-30 10-15
Следует применять бесцианнстые электролиты.
При покрытии стальных деталей целесообразно применять
покрытие “биникель".
Пример.
Состав- сернокислый школь 250-350, борная кислота 30-40,
хлористый натрий 10-20, 1,4 бутиндиол 0,08-0,12 мл/л, формалин
Режим работы: температура 40±5*С, pH 5.1-5.4, катодная
плотность тока 2-3 А/м2. Скорость осаждения при плотности
Рекомендации производству.
Типовой технологический процесс никелирования должен
- обезжиривание в органическом растворителе;
- обезжиривание электрохимическое;
- промывка в холодной воде;
- декапирование;
- промывка в холодной воде;
- никелирование электрохимическое;
- улавливание, промывка в холодной воде;
- промывка в горячей воде;
- сушка; контроль. Никелируемую поверхнос
но нужно шлифовать или полировать.
электролиты. Составы электролитов и режимы обработки приве-
дены в табл. 3.14.
вання даны в табл. 3.15, 3.16.
Составы электролитов матового никелирования
4 S | 140-160 | 10-20 | ao 100 | 20 | 10-20 | - | 20-30 | 4,2-4,t |
Таблица 3.16.
Составы электоролитов блестящего никелирования
“НОВОЦИНК ".
Другим направлением в области цинкования является работа
по замене цианидных электролитов не токсичными. Все шире
находят распространение в различных отраслях машиностроения
НБЦ. Эти электролиты обладают очень хорошей рассеивающей
способностью, близкой X рассеивающей способности цианистых
ванн. Применение электролитов с БНЦ приводит к значитель-
ному снижению затрат на покрытие.
В дополнение к цинковым покрытиям, развитие находит и
применение сплавов цинка. Сплав цинка с 0,8-1,5% титана
позволяет снизить толщину покрытия в 2-3 раза при более
высокой коррозионной устойчивости; электролит содержит суль-
фаты цинка и титана, а также комплексообразователь (оргаии-
ческую кислоту). Хорог
и декоративными свой"
ствамн обладают сплавы цинка с кадмием, никелем, кобальтом.
Этот вид покрытия имеет весьма большое распространение.
Применяется для защиты от коррозии металлических частей
Особенностью их является то, что защита основного металла от
коррозии достигается в основном за счет электрохимического
подвергаемые цинкованию, могут работать при переменных
напряжениях. При
Разработап электролит на основе хлорида цинка и никеля,
позволяющий получать цинковые покрытия, содержащие от 3 до
12% никеля, при плотности тока 5-10 А/м’. Коррозионная
стойкость цинк-никелевого покрытия (8% Ni) в средах, имити-
рующих условия эксплуатации нефтепромысловых труб, в 1,6-2,4
раза выше, чем у цинковых, а осадков с 11,5% никеля в 3,2/3,6
раза выше, чем у нелип|рованных, при одновременном повыше-
3,5%) сопротивля-
нии (в 1,6-2,0 раза при
емости защищаемого металла сероводородному растрескиванию.
Разработанные электролиты используются для злектросва-
ничсским покрытием н в технологии нанесения цинк-иикелсвых
покрытий на муфты пасосо-комперссорных труб. Легирование
цинка никелем повышает его защитную способность я улучшает
эксплуатационные характеристики указанных видов труб.
МХТИ (Московский Химико-Технологический институт) и
ИФХРАН (Институт физической химии) разработаны высокоскгь
ростные процессы цинкования. Основной особенностью которых
является применение интенсивных гидродинамических режимов,
периодических режимов электролиза в сочетании с легированием
цинковых покрытий более электроположительными (никель,
кобальт, железо) и более электроотрицательными (марганец,
хром), чем цинк, металлами. Такие покрытия обладают рядом
50% железа), свариваются и формуются (цинк - 10% никеля,
цинк - 50% железа), обладают повышенными коррозионной
Стойкостью и защитной способностью (цинк - 13% никеля;
цинк - 0,5% кобальта, с 0,02% хрома и особенно цинк - 55%
. марганца).
На Волгоградском трубном заводе освоена технология трех-
елейного (2 мкм меди + 2 мкм ципх-никсля + 14 мкм цинка)
цитирования труб для автомобильной промышленности. Медный
подслой наносят из пирофосфатного, а цинк-някель и цинк - из
I и 100 А/м2 соответственно. Такое покрытие обладает почти в 2
раза лучшей защитной способностью по сравнению с цинковым
покрытием такой же толщины.
Коррозионную стойкость цинковых покрытий обычно повы-
шают, легируя нх более электроположительными металлами.
Одним из таких покрытий, вызывающих в последнее время
большой как теоретический, так и практический интерес,
является сплав цинк-нихель.
Одним из наиболее перспективных для осаждения цинк-ни-
келевого сплава может стать электролит на основе цинкатного
Корре
Для защиты от коррозии деталей трения судовых механиз-
мов и машин широко применяются двухслойные хромовые
покрытия (молочный + блестящий).
каткого электролитов, с введением натуральных дубителей
позволяют заменить более дефицитные кадмиевые покрытия и
могут применяться в различных отраслях народного хозяйства
и др.).
Новый процесс цинкования из щелочного электролита с
добавкой ЛВ-4584 превосходит по технико-экономическим и
экологическим показателям существующие технологии и нахо-
из щелочного электролита с добавкой Л В-4584 получил промыт-
ленное применение на линиях, оборудованных подвесками и
барабанами.
Максимальное использование технологии ЛВ-4584 позволит
получить в целом по стране большую годовую экономию. При
атом годовая потребность в добавке не превысит 100 тони.
В последние годы в Японии, в США, а также в странах
Западной Европы начали применять модифицированные покры-
Электролитические цинковые покрытия, содержащие 30-50% Мп.
формуемость, свариваемость, адгезию грунтов. Толщины таких
покрытий меньше, чем у горячсоцниковакного листа при той же
высокую технологичность.
Оксидирование
Для придания металлическим изделиям прочной и красивой
окраски применяется метод оксидирования. Оксидирование
осуществляют в кислых и щелочных электролитах. Оксидиро-
ванне производят в
ых щелочах, содер-
влияння на изменение величины предела выносливости углеро-
дистой стали. Если детали подвергнуть оксидированию, то они
могут быть защищены от атмосферной коррозии. Сейчас прн-
детали подвергаются шслоч>юму оксидированию, то и.х помещают
в подогретый раствор концентрированной щелочи. Продолжитель-
ность процесса 60 минут, толщина пленки 1,5 мк. Если детали
должительность процесса
щелочном. Толщина плеик
Эффективность приме
два-три раза меньше, чем при
зостнгает 3 их.
последующей обработке поверхностей смазочными или лакокра-
сочными материалами.
Декоративная отделка оксидированных деталей основана на
высокой адсорбционной способности оксидных пленок и пронэ-
Метод электрохимического оксидирования (анодирование)
применяют для получения толстых (до 200 мкм) оксидных пленок
приводит к существенному возрастанию коэффициентов трения
по сравнению с коэффициентами трения необработанных повер-
покрытия (Д16).
гея несущая
способность покрытия и износостойкость.
Электроосаждение олова и свинца
с другими элементами
Последние годы характеризуются меньшим применением
процесса лужения и заменой его электроосаждснием сплавов
олова со свинцом, висмутом, никелем. Длительные испытания
радиоэлектронной аппаратуры позволили установить, что при
длительном хранении электролитически луженых деталей име-
лись случаи образования тонких игольчатых наростов (“усов”),
целях уменьшения опасности роста нитевидных кристаллов олова
(“усов") проводят оплавление покрытий, нанесения их на
никелевый подслой, применение легирования олова свинцом.
применяют, главным образом, фтороборатныс, олово-висмут -
сульфатные электролиты с органическими добавками, способст-
вующими образованию мелкокристаллических осадков. Сплав
олово-никель улучшает пайку кислотными фликами при одво-
Свинцовые покрытия обладают высокими антифрикционными
характеристиками (коэффициент сухого трения по стали 0,05)
и с успехом используются при работе пар трения в условиях
агрессивных сред и вакуума. При работе в маслах свинцовые
покрытия растворяются, поэтому применяют все в большем
масштабе покрытия сплавами свинца с оловом и индием. Эти
прн высоких давлениях и скоростях. Для осаждения этих сплавов
применяют стабильно работающие фтороборатпые электроли-
ты. На ряде предприятий для подшипников скольжения, рабо-
покрытия свинцово-аловянистыми сплавами с добавками меди
или сурьмы. Обычно такие сплавы содержат 90-93% Pb.6-9%Sn.
0,7-2% Си или 82% РЬ, 11% Sn. 7% Sb. Они имеют хорошую
прирабатываемость, высокую износостойкость и коррозионную
технология построения многослойного покрытия (медь-ннкель-
антифрнкционный сплав). Такую технологию необходимо рас-
(прокатшяе станы, тепловозы и др.). Для работы узлов трения
при повышенных температурах рекомендуется использовать по-
крытия сплавом свинец-марганец, которые наносят в трилона-
тио-цитратном электролите. Покрытия содержат до 20%
марганца и имеют твердость в 2-6 раз превышающую твердость
и пути их замены
Намечающаяся в последнее время тенденция к экономии
серебра и других драгоценных металлов еще незначительна.
Использование сплавов серебра с другими металлами отдельными
предприятиями машиностроения, радиоэлектронной промышлен-
ности явно недостаточно дтя современного уровня производства.
Хорошо зарекомендовало себя покрытие антифрикционным
сплавом серебро-свинец, которое позволяет увеличить ресурс
работы узлов трения по сравнению с серебряным покрытием в
2-6 раз. Покрытие наносится в нетоксичных гексацианоферрат-
ных электролитах, саморегулирующихся по свинцу и потому
очень стабильно работающих. Хорошим антифрикционным по-
крытием является также сплав серебра с сурьмой, который также
еще недостаточно нашел распространение в промышленности.
Особое значение как антифрикционное покрытие имеет компо-
зиция на основе серебра с включениями окислов рения или
молибдена. Эта композиция применяется для пар трения, рабо-
тающих на повышенных температурах (до 700*0 и высоких
нагрузках. Покрытие наносится электрохимически, при этом
серебро выделяется в виде металла, а рений или молибден при
включении в осадок присоединяет кислород и находится в осадке
в виде окислов. Покрытие имеет очень низкий коэффициент
сухого трения по стали (0,06-0,07) приближающийся к свинцу.
Распрост
различных сплавов серебра, золота,
платины и других драгоценных металлов в настоящее время
является необходимым. Другой альтернативой применения сереб-
ряных покрытий является использование составов, нс содержащих
серебра. Так, например, для пайки изделий на отдельных
использовать процесс горячего лужения. Эффективную замену
серебру предложили специалисты ВНИИП. которые установили,
таких условиях как тропика и морская
износостойкость. Сплав осаждался гальванически из уксуснокис-
лого электролита никелирования, содержащего полиэдрические
Покрытия редкими металлами и рассеянными элементами
I Характерной особенностью сейчас является применение новых
покрытий металлами, относящимися к разряду редких или
[‘ рассеянных элементов, таких как ниобий, галлий, рений, титан,
германий, индий и др.
Индий и его сплавы нашли применение в полупроводниковой
технике, для защиты от коррозии в специальных средах, в
маслами. Наиболее распространенными электролитами для
осаждения индия и его сплавов являются сульфатный и
фторборитный. Электролиты отличаются стабильностью при
высокой рассеивающей способностью. В последнее время пред-
ложены сульфонатные электролиты индирования, которые при-
меняются дтя осаждения толстых индиевых покрытий. Недостат-
их низкая температура
ком илдие,
плавления.
Рениевые покрытия применяют в электротехнике для термо-
пар, для защиты от коррозии при высоких температурах и в
некоторых коррозиожшх средах. Для элсктроосаждсния рения
применяют в основном сульфатные электролиты. Для получения
промежуточной термообработкой каждого слоя (в несколько мкм)
в инертной атмосфере или вакууме при высоких температурах
(700-1100-0.
Весьма интересным покрытием является покрытие галлием,
которое может служить для повышения отражательной способ-
ностн специальных оптических устройств, в полупроводниковых
приборах, в качестве жидкой смазки при повышенных (выше
ЗО'С - температура оплавления галлия) температурах в вакууме.
Коэффициент сухого трения галлия по стали при температурах
ниже ЗО'С достаточно высок 0,2-0,5. но при повышении темпе-
ратуры, корда галлий переходго в жидкое состояние, коэффици-
иостью при высоких температурах в вакууме. Галлиевые анти-
фрикционные покрытия наносят из фторборатных и сульфонат-
ных электролитов при высоких плотностях тока.
Предложены ноше методы синтеза электролитов для осаж-
Меднение. Медные покрытия не могут служить электролити-
ческой защитой железа и его сплавов, так как медь в
электрохимическом ряду напряжений более электроположитель-
на, чем железо. Поэтому электролитическое меднение не приме-
няется как самостоятельное покрытие для зашиты детален от
коррозии. Медь под воздействием кислорода довольно быстро
окисляется. Меднение не применяется как самостоятельное
покрытие, но чаще всего применяется в качестве промежуточною
подслоя при никелировании и хромировании. Благодаря промежу-
точному слою меди достигается прочное сцепление между
основным металлом и поверхностным покрытием. При меднении
объясняется наличием остаточных растягивающих напряжений
2. Химические покрытия
Фосфатирование. При фосфатировании па поверхности дета-
лей образуется защитная пленка, состоящая из нерастворимых
применяют струйный облив деталей, находящихся в специальной
ванне или погружением в ванну с раствором фосфатных солей
в течение 40-120 мнн. Толщина образовавшейся после фосфати-
рования пленки достигает 2-4 мкм. Эти пленки хорошо защищают
детали от атмосферной коррозии, от смазочных масел и бензина,
но они разрушаются в кислотах и щелочах. Если после
фосфатирования детали подвергнуть парафин
этом повышается их коррозионная стойкость.
Рехомендации производству: Оборудование для фосфатирош
- ванна для промывки - 1 шг.;
- сушильный шхаф - I шт.
IKH проводят
растворе состава (г/л): пирофосфорнокислый натрий 20±5;
техническая кальцинированная сода 10+2; кремнекислый натрий
8±1. Режим работы: температура 60tlO'C, время обработки 15±2
Пример.
Технология фосфа
подшипников с предвг
fl* 1. Монтаж деталей на подвески.
I 2. Обезжиривание в растворе состава (г/л): технический
едкий натр 80110; техническая кальцинированная сода 60110;
трнпатрийфосфат 8515; жв
сульфа-
иол НП-3 511,5. Время обработки 1512 мин, температура
«5110-С.
к 3, Промывка в горячей (1=7О-8О'С) проточной воде.
, 4. Промывка в холодной проточной воде.
Е- 5. Травление раствором: 160110 г/л технической серной
кислоты и 40110 г/л хлористого натрия. Вре
мня, температура 50±5'С.
6. Промывка в холодной проточной воде.
иия проводить дополнительную обработку деталей в течение 1-1,5
мни в растворе щавелевой кислоты 2012 г/л при температуре
8. Фосфатирование раствором 1 или 2. Состав раствора 1
। (г/л): фосфорно-кислый однозамещенпый цинк 5015; ортофос-
форная техническая кислота 6О15'С. время обработки 2015 мин,
общая кислотность 90-100 точек, свободная кислотность 10-15
точек, коррозионная стойкость фосфатной пленки 7-8 мим. Состав
раствора 2 (r/л): препарат “Мажеф" 6015; азотнокислый цинк
90110; фтористый технический натрий 311. Режим работы:
температура 40t5"C. время обработки 3015 мин, общая кислот-
ность 80-85 точек, свободная кислотность 4-6 точек.
Химическое никелирование
Для покрытия дета
из различных
материалов все шире используются процессы химического нане-
сения покрытий. Большое распространение в авиастроении,
приборостроении получили процессы химического никелирования.
Химическое осаждение сплава никель-фосфор. обладающего вы-
сокими физико-химическими свойствами (высокая твердость
после термообработки), высокая износостойкость благодаря сет-
чатой структуре покрытий, хорошая прнтираемость, беспори-
стость, коррозионная стойкость и хорошие антифрикционные
характеристики (коэффициент трения без смазочных материалов
по стали 0,15 0,18), нашло в последнее время широкое
применение дм покрытия деталей, работающих в условиях
трения, на износ, при воздействии коррозионных агентов, в
Для антифрикционных целей в основном осаждение проводят
в щелочных электролитах, для защиты от коррозии - в кислых.
В последние годы с успехом начинает применяться химическое
Сплавы никель-фосфор и никелъ-бор с успехом заменяют хром
как износостойкие, серебро - как антифрикционные, никель
электролитический - как коррозионностойкие. В СНГ разрабо-
тано несколько конструкций установок для химического никели-
рования. Наиболее оригинальными н эффективными нз них,
пришедшими на смену “Никс”, являются установки типа УХН
Саратовского НИТИ я установки НИИУГЛЕМАШ. Установки
типа УХН запатентованы в 7 развитых странах, в т.ч. Германии,
Франции, США, Японии я др. Малогабаритная установка модели
с многократным использованием раствора УХН-903 позволяет в
2 раза снизить расход химикатов, в 4 раза энергозатраты, резко
снижает количество вредных стоков, в 2 раза производительнее
площадь, удобна в эксплуатации глянлирования их стенок.
Процессы осаждения сплавов няхель-фосфор и иикель-бор и
разработанное в настоящее время оборудование найдут вне
сомнения широкое внедрение во многих отраслях промышленно-
сти. Затруднениями при этом может быть только дефицит
восстановителей (гипофосфата натрия, боргидрида, дпметнламин-
Осадок химического никеля восстанавливают из раствора,
содержащего 30 г/л сернокислого никеля; 10 г/л уксусного
натрия; 10 г/л гипофосфата натрия; 0,007 г/л тиосульфата
натрия; 2 мл/л уксусной кислоты; хромовислый свинец - до
насыщения. Кислотность раствора рН4,2-4,8;температура 90-92'С;
плотность закрутки 1 дм2/л. Скорость осаждения осадка 6-9 мкм
за 30-40 мин; толщина покрытия 15-18 мкм. После никелирова-
ния инструмент подвергают термообработке в течение 1 ч при
температуре 350-400‘С.
Никель-борирование
Нике
дли повышения износостой-
кости, твердости и коррозионной стойкости металла. Покрытия
обладают высокой коррозионной стойкостью, износостойкостью
н твердостью, фактически беспористыс при толщине слоя 5-7
Примснять состав, который содержит (г/л): никель хлорн-
натр 20-30; боргидрнд
стый 10-20; этил
натрия 0,9-1,1; азотнокислый таллий 0,009-0,11; гидразин сер-
растворяют хлористый никель н добавляют этилендиамин. В
I раствор хлористого пикета с этиленднаыином, а в другой части
размешивают и
сутки
1 Нанесение покрытия из раствора осуществляется при 95±2'С.
(pH 12-13). при плотности загрузки 1,6-3,2 дм’/л и периодическом
встряхивании в течение 30 мин. Скорость осаждения покрытия
8,7-9,2 мкм/ч, толщина покрытия 6-8 мкм.
5. Композиционные и биметаллические
материалы
5.1. Принципы создания и классификация
Композиционным материалом (КМ) называется такой мате-
риал, в котором совместная работа его составляющих, прочно
соединенных между собой и обладающих резко различающимися
свойствами, дает эффект, равносильный получению нового
уникального материала, свойства которого и количественно и
качественно отличаются от свойств каждого из его составляющих.
Есть КМ волокнистые, слоистые, слоисто-волокнистые и
Получепие композиционных материалов может быть осущес-
твлено путем армирования, т.е. введения в матрицу высокопроч-
ных и высокомодульных составляющих с целью, например,
существенного повышения порога рабочих температур, а также
путем плакирования, позволяющего создавать в материале опти-
мальную многослойиость, как правило, с целью обеспечения
существенного повышения конструкционной надежности матери-
ала и изделия <рис. 5.1).
В настоящее время из всего многообразия композиционных
материалов наибольшее распространение получили композиции
волокнистого и слоистого строения, различающиеся между собой
видом упрочняющих фаз и матриц, а также слоисто-волокнистые
и порошковые КМ.
Волокнистый композиционный материал состоит, как прави-
ло, из связующего материала (матрицы) и упрочняющих эле-
ментов (нитевидных кристаллов, высокопрочных проволок или
Первая группа материалов “матричного" типа представляет,
как правило, волокнистые композиции, состоящие из различным
образом расположенных упрочняющих частиц или армирующих
композиции, состоящие из матри-
чаепшами или хаотически расно-
емые методами порошковой металлургии и состоящие, например,
из частиц карбидов тугоплавких металлов, помещенных в
связующее, образуемое металлами железной группы (1-2);
ками (1-2), а также непрерывными волокнами или проволокой
(1-4); материалы, имеющие армирующие элементы в виде сеток
(проволочных тханей и сот) (1-5); материалы, имеющие непрс-
аи (1-6).
набора чередующихся двумерных армирующих компонентов в
виде листовых, пластинчатых и фольговых материалов, жестко
связанных между собой по всей поверхности.
По виду армирующих элементов и механике упрочнения
различают: трехмерные армирующие элементы (частицы); по-
рошковые композиционные материалы (ПКМ); двумерные арми-
рующие элементы (листы, полосы) — слоистые композиционные
материалы (СКМ); одномерные армирующие элементы (волокна,
проволока) - волокнистые композиционные материалы.
Применяют следующие способы производства композицион-
ных материалов: литое плакирование, диффузионную сварку,
электрошлаковую сварку, сварку взрывом и др. способы сварки,
наплавку, электроосаждение, термомсхапическое плакирование,
прнпаривание, стекленение, заливку, пропитку жидким металлом,
применяют детонационное нанесение покрытий, вакуумные на-
несения, газотермические, намотку, осадку-раздачу (для много-
слойных труб), прессование, экструднрование, эвтектическую
кристаллизацию и др.
У волокнистых композиционных материалов несущим элемен-
том является армирующее волокно, проволока, фольга (фаза-про-
читель). Армирующие элементы благодаря волокнистой структуре
имеют высокую прочность, весьма высокий модуль упругости и
как правило, сравнительно низкую плотность.
я « единый монолит, защищая их
ется средой, передающей пагрузку
на волокна, а в случае разрушения отдельных волокон перерас-
пределяет напряжения. Кроме того, ее механические свойства
определяют характер поведен»
усталостном разрушении.
Особенность волокнистой
ериала при сдвиге, сжатии и
чается в равномерном распределении, с повторяющейся геомет-
рией, высокопрочных и высокомодульных волокон в пластической
матрице, содержание которых может колебаться от 15 до - 75%
В волокнистых и слоистых композициях механизм торможе-
ния трещин, имеющий место в традиционных сплавах, дополня-
ется торможением трещин самими волокнами на поверхности
сцепления матрицы с армирующими упрочнителями.
Поверхности раздела в волокнистых и
онных материалах
как самостоятельный
момент структуры, точнее следует говорить не о геометриче-
ской поверхности раздела, а о прилежащей к поверхности раздела
| области, в которой протекают процессырастворения, образования
| и роста новых фаз, перераспределения примесей и тл.
Возможность регулирования структуры и управления качест-
вом переходного слоя, схемой армирования позволяет создавать
новые материалы с различным спектром требуемых свойств.
В переходном слое формируется связь между упрочняющими
волокнами и матрицей, через которую передаются напряжения.
Ог совершенства указанной связи зависят условия торможения
трещин; другими словами, переходный слой определяет уровень
I свойств волокнистых и слоистых композиционных материалов.
В волокнистых и слоистых
компоненты которых выбирают с
действия, структура формируется искусственно при изготовле-
нии материалов в процессе намотки, укладки волокон или
деформации.
5.2. Волокнистые материалы
Волокнистые композиции состоят из матрицы, содержащей
нитевидных кристаллов и т.д.
Основные типы волокнистых материалов: однонаправленные
композиционные материалы с непрерывными волокнами, компо-
зиционные материалы с дискретными волокнами и композицнон-
во многих направлениях.
равлять механическими свойствами материалов и получать
материалы с существенно более высокими рабочими свойствами,
недостижимыми другими методами упрочнения.
Высокие прочность и жесткость, малая чувствительность к
концентраторам напряжений и высокое сопротивление усталости,
жаропрочность, износостойкость, электропроводность, а также
электроизоляционные, антифрикционные, теплозащитные, эроэя-
н другие свойства - таков далёко не полный перечень важнейших
характеристик этих материалов.
Металлические материалы обладают большим резервом проч-
ности (это зависит от условий работы), что нетрудно видеть на
ратуре 1200’С составляет 26 ГПа, а молибдена - 24 ГПа.
Нитевидные кристаллы легко теряют свое “совершенство" в
Процессе изготовления композиции, а кроме того, в силу высокой
химической активности при достаточно высокой температуре
наблюдается
раздела
Основы
: кристаллов
разделяются на следующие группы:
- восстановление металлов из их солей;
[ - конденсация пересыщенного пара металла;
- электролитическое осаждение кристаллов;
- совместное восстановление солей.
На рис. 5.3 показана принципиальная стела
CuJ+H2p±Cn+HJ
Нитевидные кристаллы меди растут на дне и стенках
реакционной лодочки.
Качество и количество получаемых нитевидных кристаллов
зависит от условий роста н в первую очередь от температуры,
чистоты исходного материала (соли) и газа-восстановителя.
Весьма перспективными в отношении применения в армиро-
ванных композиционных материалах являются монокристаллнче-
ские “усы" сапфира.
Процесс выращивания нитевидных кристаллов сапфира
(а-АЦОэ) может быть основан, например, на реакции высокотем-
пературного окисления алюминия в атмосфере влажного водоро-
2АМН2О р* АЦОуЬЗН,
Оптимальный температурный интервал роста нитевидных
кристаллов сапфира 1360...1400'С, причем точка росы водорода
десятков минут. Массовая доля получаемых “усов" 10-20% массы
Для промышленного производства нитевидных кристаллов
сапфира наиболее перспективны установки для непрерывного
роста кристаллов (рис. 5.4). Нитевидные кристаллы растут а
замкнутой камере, в которую через патрубок поступает водород
со строго заданными параметрами. Отвод газа производится через
другой патрубок. Внутри камеры два нагревателя: печь сопро-
тивления для расплавления шихты (алюминия) и индукционния
- испаритель. Барабанный транспортер, через шестеренную
соприкосновение с расе
и при вращении переносит его в зону индукционной печи, где
происходит испарение алюминия. Пары металла конденсируются
в виде "усов” на двух барабанах-подложках и при их вращении
срезаются специальными ножами, попадая в специальные бунке-
ры-наполнители. Установка может работать непрерывно в тече-
ние нескольких суток.
Применительно к металлическим матрицам, обеспечивающим
получение армированных композиций с высокой жаропрочностью
целесообразность использования наиболее эффективных упроч-
нителей (нитевидных кристаллов) определяется следующими
При оценке эффективности упрочнения используют удельную
жесткость, отношение модуля упругости (е) и плотности (р).
Наибольшие значения сир имеют шттевидные кристаллы
керамических материалов, причем монокристалльпые “усы"
сплавы, а также Ni.Mg.Ti.
Для введения армирующих элементов - “усов" и высокопроч-
ной проволоки в промышленном масштабе можно использовать
методы вакуумной пропитки, термокомпрессионной сварки с
использованием энергии взрывчатых веществ, заливки арматуры
расплавленным металлом с последующей деформнцией.
Оценка эффективностиупрочненияармированием может быть
осуществлена на основании результатов механических испыта-
ний, а также расчетным методом, в основу которого положены
1) волокна располагаются в матрице параллельно оси растя-
2) нагрузка передается матрицей волокнам посредством
касательных напряжений по поверхностям раздела;
3> принцип комбинированного действия состоит в том, что
волокно, матрица и композиция удлиняются, одинаково подчи-
4) все волокна обладают одинаковой прочностью, имея
одинаковые размеры и форму, и прочно сцепляются с матрицей;
5) напряжения в составляющих композиции определяются их
модулями и деформациями.
Таким образом, когда напряжения в матрице достигают
предела текучести, в слоях металла, прилегающих к волокну,
начинается пластическое течение вдоль волокон (рис. 5Л),
возникают высокие напряжения. При этом основную часть
возникающих в композиции напряжений воспринимают арми-
рующие волокна, а нс матрица. В соответствии с данным
стой композиции
пропорциональна объемному содержанию упрочняющих нитей.
Расчеты иа прочность композиции, проведенные в Кембридже
Р.Келлн и Тайсоном, показали, что в случае армирования
; CFj, о; - пределы прочности композиции и волокна при
растяжении,
Мв - объемная доля волоком.
oj - предел текучести матрицы.
При использовании для армирования дискретных волокон
прочность композиции зависит от длины упрочняющего отрезка.
Для оценки эффективности упрочнения дискретными волок-
нами необходимо зиать минимальную длину волокна. при которой
разр)
сопровождается разрывом армирующего
волокна, происходящим прежде, чем оно вырвется из матрицы.
Волокно разрушается при пластическом течении матрицы,
l/d = oJ/2aH,
где 1 - длина волокна,
0„ - касательные напряжения в матрице.
При выполнении этого условия Ь 1^ и l^/d достигает
критического значения.
Таким образом,
'«р - критическая длина волокна.
Если ИЧ,"Ю, то предел прочности композиции, упрочненной
дискретными волокнами, составляет 95% предела прочности
композиции с непрерывными волокнами.
Экспериментально установлено, что для меди, армированной
вольфрамовой проволокой, ltp/d=>4.
Например, чтобы достичь в армированной короткими волок-
нами композиции 95% предела прочности композиции с непро-
Таким образом, дтя наиболее полного испс
прочности упрочняющих волокон желательно, чтобы 1/1,р»1.
Во-первых, это следует из приведенной выше формулы для
определения ох, и во-вторых, по технологическим соображениям
длинные волокна легче параллельно расположить в матрице.
В случае 1 волокно на большой части своей длины
нагружено до максимального значения (овх). Тогда, если
произойдет разрыв одного из волокон, а способность пластической
матрицы к деформированному упрочнению ограничена, остальные
нити в этом сечении будут немедленно перегружены и также
разрушатся. Образец будет иметь плоский излом по всему
сечению (5.6 (а)).
После разрушения хотя бы одного волокна перераспределение
напряжений вызовет перегрузку в центре волокон, соседних с
разрушенным, и соответственно, разрыв в этих местах. Такое
разрушение армированной композиции аналогично разрушению
поликристаллнческого пластичного материала (рис. 5.6 (б)).
В случае, когда !/!,,,«1 композиционный материал разруша-
ото происходит вследствие недостаточного сцепления или среза прилегающих слоев матрицы (рис. 5.6 (в)). Таким образом, путем изменения длины н объемного содер- жания упрочняющих волокон можно добиться наиболее удачного содержания высокой прочности и достаточной пластичности армированной композиции. С этой точки зрения оптимальным -50%. В таблице 2.1 приведены данные о составе и прочности Таблица 2.1 Некоторые физико-механические свойства легких КМ и высокопрочного алюминиевого сплава В96
пи Р.Г/Ы1
AI в 45 1200 220 2.60
AI проволок* <0 1600 IIO 4.70
А! с 50 800 200.,.230 2.20
м» В 45 1200 220 2,15
А1 SIC 25 S60...650 120...150 2.75
TI SIC 50 1200 260 3.85
и Be 40 1090 176 3.4!
М« 30 1300 188 6.25
TI 1 ЧО. 22 875 189 4.40
при рекристаллизации и устраняется дробление волокон, приво- дящее к интенсивному разупрочнению матрицы. материалы на полимерной матрице (эпоксидные смолы и др.) в
(стекловолокниты, бороволокниты, карбоволокннты, органоволок- используются высокопрочные или высокомодульные стеклянные волокна.
Боропластики - это волокнистые композиции на полимерной
трице, содержащей в качестве армирующей фазы волокна бора.
В углепластиках полимерная матрица армируется углеродны-
ми (графитовыми) волокнами. Значения их механических харак-
теристик составляют: ов=1300МПа, е-1,44О2 ГПа, р-1,52 г/см1
н 5-1%.
Создание органопластикой основано на использовании новых f
скихволокон. Наиболь
высокопрочных, высо
шее распространение получили органические волокна типа
кевлар. Из этих волокон изготовляют жгуты и ткани, использу-
емые для армирования матрицы из эпоксидной смолы.
Неметаллические волокнистые материалы состоят из арми-
рующих волокон (наполнителя) и затвердевшего связующего
(матрицы).
Волокнистые материалы бывают двух типов - ориентиро-
Строение волокнистых материалов является ключом к
пониманию нх прочностных и дсформативных свойств. Арми-
рующие волокна создают в материале линии, вдоль которых
жесткость (при растяжении) наибольшая. Так, однонаправленно
армированный материал очень хорошо работает на растяжение
в направлении армирования (рис. 5.7). Последнее накладывает
определенные ограничения на искривленность волокон, жесткость
матрицы и прочность связи между волокнами через связующее.
Грубо говоря, при
пре-
Illllf
небречь работой связующего, тогда как при сжатии роль
последнего оказывается в ряде случаев решающей
Совсем иначе работает однонаправлепно армированный мате-
Так при работе слоев арматуры на отрыв осе будет зависеть
от прочности
турой адге-
зии связующего к волокну и от соотношения связующее-напол-
При работе но ел
на другом и скрепленных матрицей.
При работе на сдвиг опять-таки глав:
тонкие прослойки связующего.
сит от плотности укладки волокон и соотношения между
когезионной (по связующему) н адгезионной (по границе волок-
но-связующее) прочностью матрицы. При высокой адгезионной
взаимодействия с волокнами.
сущность и роль армирования. Если бы была возможность
расположить
по линиям действия
наибольших напряжения того или иного рола в элементах
Используя различные методы изготовления конструкций из
ПКМ (выкладка, намотка, пультрузия и др.), можно изготавли-
вольными схемами армирования (лопасти, мотогондолы, стаби-
лизаторы, элементы оперения и др.).
При создании сложных конструкций приходится использовать
материалы, армированные в нескольких направлениях. что по-
зволяет обеспечивать прочность и жесткость элементов при
различных вариантах нагружения. В гомогенных материалах
микро- и мэкрообъемы испытывают все виды нагружений.
Прочностные свойства волокнистых композиционных матери-
алов (упругость) представляют собой сложную сумму свойств
исходных компонентов.
Строение волокнистых композиционных материалов с поли-
мерной матрицей (ПКМ), а вернее свойства матрицы, являются
причиной еще одной важной особенности, присущей стекло-,
боро- и углепластикам. Упругое и неупругое последействия к
связанные с ними релаксация напряжений, обратная ползучесть
и т.п. характерны для полимеров с нитевидными цепями молекул,
свернутыми зачастую в причудливые клубки. Ползучесть свя-
зующего определяется многими факторами, в первую очередь,
температурой, касательными напряжениями, а также степенью
(уровнем) полимеризации.
Упругие свойства волоюшетых композиционных материалов
с полимерной матрицей (ПКМ) сохраняются неизменными прак-
тически вплоть до разрушения, если только не происходят
Волокнистые ПКМ успешно применяются в различных отрас-
лях промышленности.
Углепластик находит применение в тех конструкциях, где
решающим оказывается фактор жесткости, а не прочности.
Неметаллические
с полимерной
матрицей (из полиэфирных нли эпоксидных смол) по своим
физическим свойствам - теплопроводности, электропроводности,
теплопроводности, теплостойкости, магнитное™ - резко отлича-
ются от металлических материалов. Их теплопроводность и
на порядок выше.
Еще одна особенность, вытекающая из физических свойств
неметаллических материалов на полимерной матрице, обязатель-
но должна учитываться конструкторами - это малая удельная
Армирующие материалы (наполнитель) составляют от 23 до
70% от всего объема материала. Их химические свойства обычно
(если речь вдет о волокнах из стекла, угля, бора) не представ-
ляют интереса вследствие низкой активности, высокой стабнль-
Переход к пластичнымметаллическимматрицам, в качестве
которых используется алюминий и его сплавы, магниевые я
Iтитановые сплавы, жаропрочные сплавы на основе никеля,
позволяет улучшить качество материалов.
В качестве элементов для армирования металлических мате-
риалов используются две группы волокон:
а) металлические проволочные - стальная коррозионностой-
кая проволока, вольфрамовая проволока, в том числе на основе
;(W+2%ThO2), бериллевая проволока;
б) получаемые химическими методами волокна бора, волокна
карбида кремния SiC. волокна оксида алюминия Л12О3. волокна
карбида бора В4С.
режимов ее изготовления обеспечивают такое контролируемое
физико-механическое воздействие составляющих, которое способ-
1’ ствуст установлению надежной связи между составляющими и в
образования хрупких фаз при температуре применения.
| Основные виды взаимодействия соединяемых компе
; 1. В зависимости от химического состава:
I 1) компоненты, обладающие полной нерастворимостью (Си-
Мои др.);
I 2) обладающие полной или ограниченной растворимостью
(W-Mo; Cr-Ni и др.);
кие соединения (Al-Fe; Cu-AI
I 1) при сварке взрывом (соединения как в процессе взаимного
I перемешивания, так и за счет диффузионных процессов);
2) при сварке пластической деформацией и наложением
; диффузионных процессов.
Для борьбы с нежелательными явлениями химического взаи-
сы или предохраняющие армирующий материал от шгтенсиввого
окисления. Например, на волокна бора наносят слои карбида
кремния или нитрида бора толщиной 2-4 мкм. Это позволяет, в
частности, использовать волокна B(SiC) для армирования тита-
новых сплавов. Получаемые при этом композиции могут приме-
няться при высоких температурах.
Совместимость составляющих композиций должна обеспечи-
ваться при всех режимах и видах нагружения детали или
действие среды.
Под совместимостью понимается как особенности физико-
механического взаимодействия, так и взаимодействия при меха-
ническом нагружении (при изготовлении и эксплуатации). На-
пример, для того, чтобы была хорошая трещнностойкость,
необходимо чтобы один слой был вязким в широком интервале
температур.
териалы, в которых металлическая или неметаллическая мат-
t и высокомодульными волокна-
рица армируете
ми, нитями, проволокой. Для армирования используют также
жгуты, ленты, ткани и многомерно-плетеные изделия.
Волокнистые композиции являются ярко выраженным ани-
зотропным материалом, и его механическое поведение в значи-
растяжения Для устранения этого недостатка применяют
армирование пространственно-расположенными волокнами, уп-
рочнение сетками или другими построениями усиливающих
элементов, а также обеспечивают определенное строение мат-
рицы (сплошное или слоистое).
В композиционных материалах (ПКМ), имеющих хрупкую
значительное тормозящее действие на распространение трещины.
В этом случае вязкость разрушения композиций повышают,
увеличивая их прочность и объемное содержание. Повышение
волокон с матрицей, однако, при этом теряется прочность
композиции на сдвиг и на растяжение в направлении, перпен-
дикулярном направлению волокон. Такие композиции будут
обладать повышенной вязкостью разрушения при армировании
из матрицы при разру-
короткими
Применяются следующие технологические процессы изготов-
ской основе: приготовление волокон, их укладка и соединение с
матрицей путем заливки в вакууме, прокатки, штамповки,
Применяют также методы порошковой металлургии и элек-
трохимические способы. Применяют также процессы, при кото-
киной эвтектической кристаллизации, например, при кристал-
шзации жаропрочных сплавов на никелевой и кобальтовой
чередующаяся пластинчатая эвтектика.
В сплавах кобальта определенного состава роль армирующей
фазы выполняет карбид тантала. В состав этих сплавов помимо
основного металла входят добавки хрома, алюминия, ниобия,
тантала, вольфрама, циркония, ванадия, рения, молибдена и
углерода в количествах от нескольких процентов до десятых долей
процента.
Никелевые жаропрочные сплавы эвтектической направленной
кристаллизации, содержащие различные сочетания упрочняющих
фаз, начинают использоваться как материалы для газовых
Особый класс композиционных материалов составляют ком-
бинации традиционных металлических материалов с волокии-
риалы с металлической матрицей). В этом случае используются,
например, преимущества алюминиевых сплавов углеволокон и
боридных волокон.
По условиям конкретной технологии производства той или
иной конструкции может потребоваться сочетание колодного и
В табл. 2.2 приведены характеристики стеклопластиков
сравнении с металлическими материалами.
Сопоставительные характеристики пр<
конструкционных материалов
Таблица 2.2
"’X"' Удывам
Стали 250/600 7.9 2,95/7,6 2,55
Алюмянвевые сплавы 120 240 2.7 4,45/6.9 11 2,45
Тита новые сплавы 300/500 4,5 6.65/11,1 7 2,6
Стеклопластах формованный 100/150 13 6,65/10 1.3/2.0 0.8/135
Стеклопластик волокнистый аю/ясо 2 10/20 2.0/3,0 1,0/13
В волокнистых композиционных материалах правильно вы-
бранная технологическая схема и соблюдение режимов их
получения оказывают существенное влияние на формирование
структуры и свойств. При этом следует исходить по крайней
мерс из трех условий.
номерное распределение волокон при заданном их объемном
содержании; они должны быть разделены слоем матрицы.
сведено к минимуму.
В третьих, взаимодействие волокон с окружающей средой я
с матрицей в процессе их совмещения и снижение при этом
прочности волокон должно быть минимальным.
Например, при использовании хрупких волокон (борных,
углеродных, карбида кремния и др.) цепесообразно применять
{из жидкого
при изп
или газообразного состояния. В то время как в случае приме-
нения металлической проволоки более приемлемы методы
деформационного уплотнения (прокаткой, экскрузией), взрывно-
го прессования и др.
Волокнистые композиционные материалы, состоящие, как
указывалось, из чередующихся регулярным образом хрупких
армирующих волокон в пластической матрице, обладают доста-
точно высокой вязкостью разрушения.
Таким образом, в композиционной системе сочетаются два
свойства, необходимых для конструкционных материалов -
высокий предел прочности и достаточная вязкость разрушения.
высокопрочных волокон, а достап
обусловлена пластической матрицей и специфическим мсханмз-
Применяются гибридные ПКМ двух типов:
1) гибрид, состоящий из волокнистых наполнителей (два иля
более наполнителей, например, стеклянные и органические
волокна или углеродные и борные волокна):
2) гибрид, состоящий из одиноких волокон, но с разли-
чающимися характеристиками (гстероволокна), либо состоящий
Волокна применяются в ваде тканного материала или жгутов.
Могут вводиться дискретные волокна, которые по составу
отличаются от основного материала.
В зависимости от coot
свойства гибридных
ПКМ различны, но особенно важно то, что все они обнаруживают
“гибридный” эффект, заключающийся в превышении механиче-
ских характеристик по сравнению с характеристиками состав-
ляющих.
5.3. КМ слоистые
Вторую группу составляют композиционные материалы “сло-
гого’’ типа, к которым следует отнести различного рода
Простейшим примером материалов этой группы являются
гхелойные листы с различным соотношением толщины основы
|И планы, цветные и благородные металлы. В ряде случаев для
Я/лучшения качества сцепления плакирующего слоя с основой
: между ними вводят одинарные или двойные листовые прослойки.
играющие роль “барьерных" компонентов, и защищающих слои
процессе
и прсдотв-
рашающих развитие на мсжслойной границе процессов, ухуд-
шающих эксплуатационные свойства композиции.
1 например, из высокопрочных сталей мартенситного класса,
i имеющих двухстороннее покрытие из вязких сталей, что повы-
материала и защищает его
1 основу от преждевременного хрупкого разрушения.
I Для повышения предела выносливости деталей, работающих
материалы,
вязкую основу и плакирующие слои, в качестве которых служат
лов может быть
в виде трехслойного листа, внутри
которого располагается листовая прослойка выскопрочного мате-
риала. Весьма ценное сочетание свойств может быть обеспечено
при создании многослойной композиции, состоящей из чере-
дующихся слоев разнородных компонентов.
Наиболее широкое распространение в машиностроении полу-
чили биметаллы, изготовляемые в виде листов, полос и лент,
прутков и проволоки, фасонных профилей, труб я т.п.
Освоено производство многих биметаллических полуфабрика-
тов, изготавливаемых различными методами плакирования, боль-
шинство из которых основано па схватывании или сварке
разнородных материалов в твердом состоянии.
Методом совместной прокатки разнородных металлов изго-
тавливают: 1) крупногабаритные листы с плакирующим слоем
из коррозионно-стойких сталей, меди, титана, никеля, латуни,
монеля для нефтехимической аппаратуры и различных емкостей:
ских, землеройных машин, тепловозов, режущего инструмента с
плакирующим слоем из меди, алюминия или их сплавов;
3) биметаллическую ленту из малоуглеродистой стали для
подшипников скольжения;
4) ленты и листы из низкоуглеродистой стали или антикор-
розийной стали с алюминием и его сплавами для емкостей,
переходников, деталей электро-вакуумных приборов, сосудов
криогенной техники и т.п.;
листы, полосы и ленты для
аппаратуры и т.д.;
теплообменной
построения, авиастроения н ракетной техники;
7) ленты и полосы с плакирующим слоем из тугоплавких
металлов и их сплавов для изделий,
температуре;
при высокой
8) листы тугоплавких металлов с плакирующим слоем из
жаропрочных сплавов для специальной техники;
9) ленты и полосы различных слоистых композиций, со-
стоящих из цветных, благородных металлов и сплавов: золо-
то+бронза, зодото+латуиь, серебро+латуиь, титап+сталь, тй-
TaiH-жслезо+алю.мнний и др., для изготовления деталей приборов.
Методом совместного зкетрудирования разнородных металлов
изготавливают биметаллические мсдио-стальные трубы, различ-
ные другие композиции сталь+цветиыс металлы, а с помощью
волочения - биметаллическую проволоку сталь+алюмннин,
Методом сварки взрывом и другими методами сварки в твердой
фазе (давлением, сварка трением, термокомпрессориая) получают
большое количество биметаллических соединений, изготовление
которых затрудие!
методами.
К биметаллическим деталям машин, применяющимся в от-
ветственных конструкциях, предъявляются жесткие требования к
качеству. Кроме высоких механических свойств, в исходном
состоянии, необходимо сохранение и обеспечение отсутствия
специальных мер, исключающих поглощение газов при изготов-
лении биметаллов и многослойных композиций, таких, как
сти, стабильности структурного состояния в зоне напряжения
(фактор “совместимости") и т.д.
Сварка в твердой фазе разнородных металлов и сплавов
представляет собой сложный процесс, состоящий не только из
сближения атомов контактирующих металлов на расстоянии
межатомного взаимодействия.
При промышленном производстве крупногабаритных двух-
слойных листов с антикоррозийным плакирующим слоем наибо-
способ и способ с применением электрошлаковой сварки (табл.
Пр<
виях и анализ особенностей, преимуществ и недостатков каждого
из них показали, что при организации массового производства
i двухслойной стали с антикоррозионным плакирующим слоем
наиболее оптимальным является применение пакетного способа
и способа электрошлаковой сварки.
При расчете биметаллического изделия на прочность в
отечественной и зарубежной практике принимают общую
толщину о, биметалла, а прочностные характеристики выбирают
когда плакирующий слой имеет более высокую прочность по
сравнению с основным, и когда плакирующий слой в процессе
эксплуатации изделии не подвергается существенной коррозии
или эрозии.
Общую усредненную прочность биметалла можно с достаточ-
oj“, oj" - пределы прочности биметалла, основного и
плакирующего слоя;
доля плакирующего слоя в общей толщине биметалла
(в %).
когда плакирующий стой имеет меньшую прочность, чем основ-
ной, как это имеет место в биметаллах: сталь+мсдь, сталь+яикель,
I сталь+серсбро.
предложена формула, при-
Я.Б.1
предел прочности слоев биметалла.
при растяжении
десятикратного образца из материала слоев.
Точность этой формулы будет выше, если вместо отношения
удлинений Sen/8m внести в формулу отношение максимальных
равномерных деформаций т.е. деформаций до момента
образования шейки па растягиваемом образце.
В случаях, когда в процессе службы изделия из биметалла
плакирующий слой подвергается существенной коррозии или
эрозии, его нс принимают во внимание при расчете на прочность,
а в расчет вводят только толщину и прочностные характеристики
Сопоставление фактических данных показывает, что по ряду
характеристик плакированная сталь обладает рядом пре-
имуществ перед монометаллической антикоррозионной сталью с
точки зрения эксплуатационных в технологических свойств, а
По сравнению с однородной антикоррозийной сталью двух-
слойная сталь отличается большей теплопроводностью, меньшим
сопротивлением деформации при штамповке, гибке и т.д., легче
поддается механической и газотермической резке.
п ударную
вязкость, чем в однородной стали.
Биметаллические листы значительно превосходят по своим
характеристикам двухслойные футерованные (облицованные) лис-
ты, которые легче корродируют изнутри, после чего трудно
поддаются испраапсгшю. При работе облицовочных листов в
условиях вакуума их плакирующий слой может выпучиваться, 'по
исключено при использовании двухслойных плакированных сталей.
Применение листов, футерованных кислотостойкой эмалью
при изготовлении и ремонте
изделий, требует устранения ударов н вибраций в процессе
эксплуатации. Эти трудности исключаются при использовании
В настоящее время плакированные коррозионные листы
иностроении для изго-
лизаторов. коцденсато-
ров. теплообменников, складских резервуаров и другого обору-
дования. В нефтеперерабатывающем и нефтехимическом маши-
ностроении - для изготовления теплообменников и смесителей.
нефти бензина, дистнллиционвые башни, отстойники, насосы.
В машиностроении для целлюлозно-бумажной промышленности
из биметаллов изготавливаются: варочные котлы, резервуары для
отходов, теплообменнихн, смесители бумажной массы, отстойники,
резервуары для хранения различных растворов, корпусы и ванны
В транспорт:
вагоны для руды.
кислотные цистерны,
В судостроении - все виды резервуаров, предназначенных
для перевозки грузов, корпуса некоторых судов.
В пищевоммашиностроении: оборудование молочных заводов,
резервуары для брожения, емкости для хранения продуктов,
поточные линии для изготовления полуфабрикатов, барабанные
сушилки.
вннонагреватели большой
емкости, установки непрерывного рафинирования масел.
Для определения велит,
ния стали плакированием
। машиностроении.
тели использования однородных и двухслойных сталей, хак
коэффициент фактического использования металла при изготов-
лении определенного вида аппаратуры, трудоемкость при изго-
товлении аппарата из однородного и плакированного металла,
расходы на текущие, капитальные ремонты и замену аппаратов
в период эксплуатации.
ния однородных н плакированных сталей при изготовлении
химической и
атуры.
Таблица 3.3
Коэффициент использования однородных
и двухслойных сталей
°Яёммштии)П
12Х18Н10Т 0,80 12ХШШГТ 0,65*0,70
О8Х17Н13НМ2Т 0,80 О8ХПН13М2Т 0.65-0.70
СтЗ 0.95 СтЗ ♦ 0X13 0.90
Изменение трудоемкости изготовления изделий при замене
однородной стали плакированной, как правило, не оказывает
Увеличение срока службы изделий, в которых использована
плакированная сталь, равносильно увеличению их количества.
При этом сокращается не только расход металла, ио я затраты
на изготовление изделий, монтаж и
ремонты.
предупредительные
Например, при использовании биметалла Ст.3+0X13 затраты
на ремонты снижаются в 7 раз.
Эффективность упрочнения стали плакированием может быть
двухслойной и однородной стали в эквивалентных при замене
количествах.
Коэффициенты замены монометалла двухслойной плахиро-
ванной сталью могут быть определены, исходя из коэффициентов
полезного использования этих взаимозаменяемых металлов в
где N] и ^-коэффициенты полезного использования мопометалла
и двухслойной стали;
п - коэффициент замены монометалла двухслойной сталью.
В случае замены однородной стали 12Х18Н10Т и
08Х17Н13М2Т двухслойной сталью с плакирующим слоем из
П32-(С2+О,15К2)п.
ствелно 1 т монометалла и двухслойной стали,
С, и С2 - текущие затраты на производство 1 т монометалла
и двухслойной стали.
п - коэффициент замены однородной стали двухслойной.
При замене углеродистой стали биметаллом с плакирующим
слоем из стали 0X13 эти соотношения принимают следующий
П31-А(С, + 0,15 К,);
Пи-(С2+О,15 • Крп-Р.
где А - отношение срока службы аппарата из двухслойной стали
к сроку службы аппарата из углеродистой стали,
двухслойной стали.
тениям для двухслойной стали трех марок.
Расчет экономической эффективности производства
и применения двухслойной стали
Таблица 3.4
Слоистые металлические композиции позволяют получать
комплекс эксплуатационных свойств: высокие пластичность,
трещиностойкость, коррозионную стойкость и т.д. Наибольшая
реализация эффекта повышения конструкционной прочности при
использовании многослойных металлических композиций наблю-
дается при введении нескольких мягких или жестких прослоек,
располагаемых как можно ближе к зоне концентрации напряже-
пользования нх в наиболее нагруженных узлах и элементах
конструкций, изготовляемых из легких сплавов, высокопрочных
сталей и жаропрочных сплавов.
Наибольшее распространение среди материалов, упрочненных
частицами получили композиции на металлической основе.
Примером
резиновые материалы - каучуки с введенными в них различными
усиливающими наполнителями.
Композиции на основе метал
гея дисперсными
Основой создания дисперсно-упрочненных материалов являют -
цами второй фазы, как это наблюдается, например, у стареющих
сплавов. Однако, в отличие от них при образовании композиций
упрочняющие дисперсные частицы тугоплавких соединений
(окислы, карбиды, нитриды) не выпадают из твердого раствора
матрицы, а специально вводятся на стадии изготовления мате-
риала (путем внутреннего окисления, применением методов
порошковой металлургии и т.п.). Одним из представителей
дисперсионно-упрочненных металлов являются материалы из
спеченной алюминивой пудры (САП N 15), в которых роль
ляется нх высокая жаропрочность.
быть использованы: кобальт, никель и его сплавы, вольфрам, хром
др. Прочность дисперсно-упрочненных композиций, являющих-
ся изотропными материалами, возрастает пропорционально объ-
емному содержанию частиц.
Большой интерес представляют дисперсно-упрочненные мате-
риалы на основе никеля и его сплавов. Упрочняющим элементом
являются, например, частицы двуокиси тория (ТЬО2)или двуокиси
гафния (НГОр. Отмеченные композиции обладают достаточно
высокой жаропрочностью.
Композиции, у которых в качестве матрицы использован
кобальт, а упрочняющей фазой являются частицы ThO2(V =2%),
являются перспективными материалами для газотурбинных дви-
гателей.
ко применяющимся, относятся
ной или нескольких керамических фаз с металлами. В качестве
керамической составляющей используются окисли, нитриды,
карбиды и бориды. Металлическая составляющая в этих компо-
металлы. Преимущество их в уникальной жаропрочности,
тугоплавкости, высокой прочности при сжатии, высокой эрози-
онной и коррозионной стойкости.
В ВИХМе (Всероссийский институт авиационных материалов)
разработаны слоистые клееные материалы, представляющие
собой наборные клеевые пакеты, составленные из двух или трех
листов алюминиевых сплавов и скрепленных в единый массив
Клей марки ВК-51 используется для образования клеевою
пакета как конструкционного материала для ответственных
конструкций с высокой несущей способностью. Так, при величине
предела текучести листового алюминиевого материала ,-29-31
кг/мм2 (284,5-304,1 МПа) эта же величина прочности клееного
пакета будет составлять соответственно 38-40 кг/мм1 (372,8-
392,4 МПа). Кроме того, такие клеевые пакеты обнаруживают
достаточную стойкость к
нагружениям, в особенное!
гружения.
Находят применение слоистые металл-полимерные матери-
алы типа “Хлор", состоящие из тонкого листа алюминия и
тонкого листа органопластика.
Существуют две модификации “Хлора": а) равнопрочный и
б) однонаправленный, т.е. армированный в одном направлении.
Прочность “Хлора" составляет 45-100 кг/мм5. Серьезным пре-
имуществом такого материала является его стойкость к разви-
тию усталостных трещин: скорость роста усталостных трещин
в массиве сплошности “Алора” в 10-20 раз меньше, чем это
проявляется у алюминиевых сплавов, при меньшей, чем у
алюминиевых сплавов, плотности материала - на 10-20%.
“Хлор” обнаруживает при этом высокие демпфирующие харак-
теристики (поглощение колебании происходит в три-четыре раза
используют при упрочнении элементов конструкции, в особенно-
сти, летательных аппаратов, испытывающих при эксплуатации
наложение акустического нагружения на нагружение растяжени-
5.4. КМ слоисто-волокнистые
Рассмотренная выше схема охватывает лишь некоторые
основные типы реальных композиционных материалов. Вполне
сочетании принципов создания армированных и плакированных
композиций, например, получение слоисто-волокнистых матери-
алов введением армирующей высокопрочной проволоки между
сплавов способ прямого получения естественно-волокнистых
композиций, включающий быстрый электропагрсв. деформацию
аустенита и последующую холодную пластическую деформацию.
При этом имеет место рациональное совмещение процессов
формирования волокон, создание композиции и обеспечение
прочной связи между волокнами и матрицей.
Метод сварки взрывом используют для получения слоист о- во -
содсржащкх либо разнородные металлические слои, либо пла-
стичную матрицу, упрочняемую высокопрочной металлической
I) алюминий, армированный стальной проволокой, исполь-
зующийся в качестве конструкционного материала в авиационной
технике;
кой.
применяемые для тех же целей;
3) медь, армированная молибденовой или вольфрамовой
проволокой, использующаяся для ракетных сопл;
4) серебро, армированное стальной проволокой, приме-
няющееся в качестве уплотнительного материала;
5) свинец, армированный стальной проволокой, предназначен-
или воль-
фрамовой проволокой, использующиеся в изделиях авиационной
техники;
7) никелевые сплавы, упрочняемые вольфрамовой проволокой,
применяемые для тех же целей.
электрохимических методов получения композиционных матери-
алов является отсутствие или незначительное температурное или
механическое воздействие на волокна в процессе совмещения их
с матрицей, а также возможность формирования изделий или
При изготовлении композиционных материалов с алюминие-
вой матрицей, упрочняемых волокнами бора, карбида кремния
вающих достаточно прочную связь напыляемого металла как с
волокном, так и с алюминиевой фольгой, являющейся частью
матричного материала.
Эффективным способом снижения теплового силового воздей-
ствия плазменной струи на волокна является метод импульсного
Использование плазменного распыленна в импульсном режиме
позволило получить никелевое покрытие на борных волокнах.
Процесс плазменного напыления использовали для получения
(12Х18Н10Т).
композиции алюг
При электрохимическом осаждении никеля на углеродное
волокно обычно используют стандартные электролиты никели-
рования, например электролит Уотса, электролиты, содержащие
сульфат или сульфамат никеля и борную кислоту.
Запатентован способ нанесения покрытий на углеродное
волокно с использованием двухстороннего направляемого потока
электролита, что обеспечивает более равномерное покрытие
отдельных волокон в пряди. Запатентован также метод нанесения
металлических покрытий на углеродные волокна, включающий
окислительную обработку волоков перед процессом электроосаж-
дения (патент Англин, N 1215002).
Метод электрохимического осаждения является наиболее
рациональным в тех случаях, когда из композиционного матери-
ала должны быть изготовлены изделия больших размеров,
сложной геометрической формы, оболочковые и другие конструк-
тивные элементы.
Специалистами научно-исследовательного центра NASA в
Льюисе (США) предложено использовать электрохимический
метод для изготовления камеры высокого давления реактивного
Процесс осаждения, называемый иногда злектроформирова-
нием композиционных материалов, может быть применен и в
случае, когда в качестве упрочнителей используются дискретные
волокна или нитевидные кристаллы. Упрочнитель вводится в
электролит и равномерно диспергируется в нем с помощью
мешалки, ультразвукового перфаратора нли иным способом. В
процессе элсктроосаждсния волокна нли кристаллы осаждаются
на аноде вместе с материалом матрицы.
Перспективным методом получения алюминиевых композицн-
о1пшх материалов, упрочненных углеродными волокнами, явля-
ется, предварительная металлизация тем или иным способом
углеродных волокон (никелирование, меднение, серебрение) и
последующая пропитка покрытых волокон алюминиевым спла-
вом. Пропитка может осуществляться либо методом вакуумного
всасывания, либо автоклавным методом, либо прессованием в
слоях между фольгой из алюминиевого сплава при температуре
образования жидкого расплава. Последний из перечисленных
методов описан Линьоном.
Медные покрытия на упрочшгтели наносят как с целью
матрицей, так и с целью получения тонких промежуточных
покрытий, выполняющих различные функции.
,. Отличительной особенностью и одним из существенных
преимуществ химического метода по сравнению, например, с
фира, других окислов и соединений), а также, что особенно
важно, возможность нанесения тонких равномерных слоев на
углеродистые волокна как в виде пряди, так н в виде ленты.
Процесс химической металлизации широко используется в
практике изготовления металлических композиционных матери-
алов, армированных углеродными волокнами или нитевидными
Сущность химического метода осаждения покрытий заклю-
чается в восстановлении ионов металлов до злементарного
состояния на поверхности покрываемого вещества.
Из всех видов химической металлизации никелирование
армирующих наполнителей используют наиболее широко в
их материалов. Из других
химических мст<
и серебрение.
жвых волокнистых материалов, особенно
их механические свойства, при одном и том же содсржатш
упрочиителя, сильно зависят от ориентации волокон в матрице,
от угла между направлением действия приложенной нагрузки и,
что особо существенно, ориентацией волокон, и от результатов
возможного взаимодействия материала волокно и матрицы в
технологических процессах их изготовления и в процессе экс-
Большое внимание в настоящее время уделяется исследованию
композиционных материалов алюминий-углеродное волокно, об-
ладающих высокой прочностью и малой плотностью. Свойства
этих материалов зависят от свойств упрочняющих волокон, а
также в значительной степени от метода изготовления и
технологических параметров
Так например, композиционггый материал, содержащий 30-40
объемных % волоков, при плотности 2 г/см1 в зависимости от
вида уплотнителя и технологии может иметь предел прочности
Композиционный материал, содержащий 20 об. % нитевидных
исталлов АЦО,.имеющих средний предел прочности 5600 МПа.
нмеет при 500'С предел прочности 210 МПа и 100-часовую
длительную прочность 84 МПа. Модуль упругости этого матери-
ала равен 127 ГПа. Материал с 30 об. % нитевидных кристаллов
AIjO, имеет при 500’С предел прочности 380 МПа.
При содержании 50 об. % бериллевой проволоки композици-
онный материал на основе алюминия имеет высокую прочность
(-700 МПа), в 3 раза более высокий по сравнению с матрицей
модель упругости -200 ГПа при сравнительно более высокой
плас! 1ЧП0СТИ (3-7,6%). Плотность этого
2,3
алюминия, армированные высокопрочной стальной проволокой,
имеющие высокие прочностные характеристики и сравнительно
малую стоимость.
Средн композиционных материалов с магниевой матрицей
наиболее интересными являются материалы, упрочненные борны-
ми волокнами, поскольку именно в магниевой матрице удастся
наиболее полно реализовать высокие прочностные характеристи-
ки боршях волокон. Отсутствие взаимодействия борных волокон
с расплавленной магниевой матрицей, снижающего прочность
волокон, позволяет получать композиционные материалы магннй-
нис волокна в матрице до 75 об.%.
При 20 об.% борных волокон композиция имеет в 3 раза
более высокую прочность и
раза более высокий модуль
упругости по сравнению с аналогичными свойствами обычных
магниевых сплавов. Сравнительно высокий предел прочности
композиционного материала мвгннй-бориое волокно (25 об.%)
Представляет интерес композиционный материал магний-уг-
леродистое волокно. Практически не изменяя плотности, угле-
родное волокно позволяет в 2-3 раза повысить предел прочности
и модуль упругости композиционного материала.
армированный 42 об. % углеродного волокна Торнел-75, имеет
плотность 1,77 г/см1, предел прочности 458 МПа и модуль
упругости 188 ГПа.
Разработаны порошковые композиции на основе титана,
пропитанного магниевым сплавом, обладающие высокой стойко-
стью в тепловом потоке с высокой плотностью энергии и высокой
износостойкостью.
карбида ниобия с диспергированным в ней дискретными углерод-
ными волокнами, обладающий малым коэффициентом линейного
расширения (патент США N 3736459).
Себе высокую электропроводность, износостойкость и огнеупор-
ность, используются в качестве электрических контактов
I Перспективными высокотемпературными материалами явля-
на основе карбида и нитрида
п существенными преимущес-
нием ползучести при темпера-
югся композиционные матер
турах до 1600'С, малой прочностью и хорошим сопротивлением
высокотемпературному окислению (это особенно относится к
карбиду кремния).
I Например, предел прочности при изгибе карбида кремния
равен 450 МПа при 1500‘С. При температуре 1480‘С и напря-
жении 35 102 ГПа ползучести карбида кремния не обнаружено.
ность к концеитаторам напряжений и высокое сопротивление
усталостному разрушению, жаропрочность, износостойкость, элек-
тропроводность, а также электроизоляционные, антифрикционные.
летающие, энергоемкие и другие свойства - таков далеко не
f ствования качеств и свойств слоисто-волокнистых композици-
онных материалов весьма велики и иногоплановы. Этим мате-
риалам можно ряд свойств придать искусственно путем введения
U нужных добавок в композицию. Так, ограниченная горючесть
J стеклопластика не страшна, если предусмотреть тонкий защит-
ный слой специального термостойкого покрытия. Армирование
специальной металлизированной тканью или волокном могут
позволить придать материалу ограниченную машитиость и
локально по мере необходимости применительно к отдельным
элементам конструкции.
Весьма перспективным также является использование направ-
ленной кристаллизации эвтектических сплавов для создания
армированных композиций с упрочненным строением, обра-
зующихся при постоянной температуре непосредственно из
расплава двух твердых фаз с контрастными свойствами. Сущес-
твенно новые эффекты, например, придание виброгасящих и
специальных свойств, могут быть получены благодаря использо-
лические и синтетические материалы, напрнм
ласты, металлополнмерные “сэндвичи" и т.д.
Применяются тугоплавкие композиции, основанные на приме-
нении металлического “трикотажа", композиции с полимерной
матрицей, упрочненной нитевидными кристаллами и т.п.
5.5. Порошковые КМ
ада для работы в экстремальных условиях имеют более высокуи!
износостойкость, жаропрочность, твердость и коррозионную стой-
кость по сравнению с органическими материалами. Характерной
составляющих от 8 до 27% объема. Порошковый материал '
превращается в композиционный и приобретает смазывющие
свойства после пропитки пористого каркаса антифрикционными
компонентами (графит, сулы|>иды, селениды, фториды, фтороп-
ласт, мягкие металлы, целый ряд химически активных твердых
смазочных материалов, таких как иодиды металлов).
Различают железографитовые, металлографитовые и бронзог-
рафитовые материалы. Для работы при высоких температурах в
коррозионных средах, в вакууме получают распространение
новые марки порошковых антифрикционных материалов, такие,
как сульфидированные и высоколегированные железографиты,
материалы на основе железоникелевого сплава, сульфидирован-
ные и сульфоборированные коррозионно-стойкие стали, минера-
локерамнческис материалы.
Для повышения прочности и износостойкости антифрикцион-
ных материалов могут применяться все виды ХТО (цементации,
азотирование, цианирование, сульфидирование и др.). Борирова-
ние порошкового чугуна, наполненного бронзой, повышает
износостойкость композиции за счет создания неоднородной
боридов.
Применение химически активных твердых смазочных мате-
риалов (сульфиды и иодиды металлов) в качестве наполнителей
порошковых материалов позволяет повысить их смазочное дей-
ствие за счет химического взаимодействия наполнителей с
металлами и модификации поверхности трения, способствующей
повышению противозадирных свойств.
Один из эффективных способов повышения антифрикционных
рование металлического пористого каркаса. Легируют углеродом,
бором, кремнием, цинком и т.д. Введение легирующих элементов
существенно повышает износостойкость композиционного мате-
Введенне угольных волокон в металлическую основу приводит
к уменьшению изнашивания. Для повышения когезионной проч-
ности порошкового материала на графитовые волокна наносят
К композиционным антифрикционным материалам относятся
крытия, получаемые методами плазменного напыления И
Технология плазменного напыления позволяет вводить |
состав порошковой смеси для напыления композиционного по*
крытия различные антифрикционные присадки (MoS2, графит,
нитрид кремния, слюду, окись вольфрама, окись молибдена и
Композиционные электролитические покрытия получают
материала, взвешенных в электролите (MoS,, WSr графит).
После спекания электролитического медного покрытия износо-
стойкость композиции повышается.
Разработаны износостойкие алмазосодержащие покрытия. В ;
качестве матрицы используются Ni с содержанием 20-25%
алмаза. Толщина покрытия 20-50 мкм. твердость HV 1000-1200,,
Коэффициент трения алмазосодержащего покрытия в парс с
синтетическим волокном составляет 0,08-0.2.
Получение композиционного покрытия с металлической или ’
полимерной матрицей, армированной дисперсными частицами.
рораспредслительных устройств, различной технологической ос*,
Технологический процесс нанесения покрытия безвольфрамо*
гль-фосфоршЛ
связкой состоит из двух основных операций: электрофоретиче.
и припекания электрофоретического осадка к стальной подложке,
осуществляемого при 1160-1180'С в защитной безокнелнтсльной
среде или в вакууме.
нук> сталь ХВГ.
Для нанесения покрытия можно использовать тонкий поро-
шок титана, карбида титана, гидрата титана или смеси на
основе одного из этих веществ с добавлением до 20% карбида
молибдена, до 30% карбидов тантала, ниобия, гафния, циркония,
хрома, ванадия и 0-50% металла из группы железа или его
сплава. При упрочнении изделий из всех материалов, кроме
Электрофоретическое осаждение системы карбид вольфрама-
(масс, долей): твердосплавная WC-Co-B 350-380: хлороистый
алюминий 0,25-0,3; ацетилацетон 0,8-3,0; этиленгликоль 100-120;
Этил целлюлоза (3-5) • 10‘4.
Композиционное покрытие Ni с добавкой Мо$2, нанесенное на
Титановый сплав T1A!UV4 (Германия) при температуре ЗОО’С,
Значительно снижает трение и изнашивание. При колебательном
движении с частотой 50 Гц коэффициент трения для указанных
покрытий при увеличении числа циклов постепенно возрастает
в твердом состоянии, начинает успешно конкурировать исполь-
зование различного рода защитных покрытий, наносимых на
Подвергающуюся наиболее интенсивному воздействию в условиях
высокотемпературной эксплуатации поверхность деталей с по-
мощью импульсных газотермических методов напыления порош-
ковых материалов, в частности при помощи плазменного,
газопламенного^ детонационного напыления. При сравнительных
испытаниях материалов такого рода наилучшими свойствами
обладают детонационные покрытия.
размером от
па (толщина
В случае напыления отдельных компонентов порошка, вхо-
оно может разрушаться из-за отсут-
ствия должного сцепления между составляющими смеси, тогда
как ори испс
разрушения полностью отсутствует. Напыление плакированным
повышением коэффициента использования материала и отсут-
ку он защищен плакирующим слоем второго компонента. Теплота
ствует повышению прочности
материалом. К числу сочетаний материалов, склонных к экзо-
термическим воздействиям, в частности относится никель-алю-
миний. Покрытие из алюминида никеля может успешно работать
при высоких температурах (до 650*0, обладая высокой термо-
и износостойкостью.
Композиционное покрытие в виде сочетания двух разнородных
сочетающий
никель с графитом, обеспечивает получение покрытия с хорошем
обрабатываемостью резанием при удовлетворительной стойкости
жащее Ст и Ni, обладает стойкостью к окислению в воздушной
среде при высокой температуре. Этот композиционный материал
пригоден также для напыления подслоя под керамику. Компози-
ционный материал, сочетающий молибден с алюмниинем, при-
меняют для нанесения покрытий на поверхности подшипника
скольжения и реставрации деталей из углеродистой стали. При
этом он обладает высокой износостойкостью.
Существуют плакированные порошки, состоящие из кобальт-
карбида вольфрама, никель-карбида хрома и др., позволяющие
получать износостойкие покрытия, а также по|юшки, сочетающие
никель с фтористым кальцием, оксид никеля с фтористым
кальцием, алюминий или алюминиевую бронзу с полиэфиром для
нанесения покрытий, обладающих низким коэффициентом трения.
При плазменном напылении карбида вольфрама (с размером
частиц 50-90 мкм) неизбежна потеря др 35% С.
Как известно. в плазменных и газопламенных покрытиях
вследствие высокой пористости, крупного зерна и низкой вели-
чины адгезиошюй прочности, проявляющейся уже при механи-
ческой обработке поверхности материалов, получаются дефекты,
ускоряющие износ напыленных слоев. Для увеличения срока
службы материала необходимо получать толстые покрытия, что
не всегда оправдано в условиях работы изделий с тепловыми и
ударными нагрузками.
Использование детонационного метода нанесения покрытий,
путем взрыва газовой смеси, при котором происходит как
тепловое, так и скоростное взаимодействие частиц порошка
между собой и с основным металлом, позволяет создавать КМ,
обладающие ценными технологическими и эксплуатационными
свойствами.
Детонационные износостойкие покрытия, состоящие, напри-
мер, из металлокерамических сплавов, могут деформироваться
вместе с основным металлом, что способствует снижению
удельных нагрузок на материал. При этом обеспечивается
высокая адгезионная прочность напыленных слоев:
для металлических покрытий она составляет свыше 170 МПа,
для карбидных - свыше 100 МПа,
для окисных - свыше 70 МПа.
Детонационные покрытия во многих отраслях машиностро-
ения зарубежных стран получили широкое применение, напри-
мер, из 1200 наименований деталей продукции одной из крупных
машиностроительных американских фирм 750 видов защищается
помощью импульсного напыления порошковых материалов, в
частности, клапаны насосов, уплотнения в газотурбинных двига-
телях, работающие при высоких температурах, и многие другие
детали. Нанесс
промышленности и текстильного машиностроения, режущего и
измерительного инструмента, оборудования для обработки ме-
таллов давлением и т.п.
Детонационные покрытия из смеси окиси алюминия и хрома
образуются из плотноуложенных слоев лнетолодобных частиц,
прочно сцепленных с основным металлом. Косвенным свидетель-
срытий из окиси
твердых сплавов имеют низкую пористость (менее 2%) и
представляют собой слон упорядоченных, плотноуложенных и
расплющенных частиц.
Однако главным условием образования качественных детона-
ционных покрытий является развитие такого процесса напыления,
при котором
ате физико-химического н механического
частицами наносимого порошка с основ-
эксплуатациониымн свойствами. Например, напыление износо-
стойких детонационных покрытий позволяет после механической
обработки
। с меньшей высотой микронеровно*
перед финишными операциями обработки деталей.
Весьма перспективным является также применение детонаци-
онного напыления необходимых металлов и сплавов для реали-
зации наиболее экономичного способа введения в КММ противо-
эффективную борьбу с
КММ, повысить
их сопротивление зарождению и развитию макро- и микротрещин
воздействий.
получаемые методом наплавки. Композиционные сплавы состоят
из зерен карбидов или интерметаллидов высокой твердости н
износостойкости н пластичной матрицы, прочно удерживающей
тяжелых условиях
абразивного изнашивания. Такие сплавы делают возможным
дальнейшее повышение абразивной износостойкости благодаря
одновременному увеличению твердости и пластических свойств
В качестве твердой составляющей применяют релит (элек-
трический сплав W2C + WC), кермет ТН-20, дибориды титана-
хрома СП» Сг/В2) и другие карбиды и бориды тугоплавких
металлов. Матрицей обычно служат сплавы на основе меди
(марганцевый мельхиор) и никеля (колмоной).
: карбидов от растворения
и диссоциации.
Наплавка композиционным сплавом релмт~-марганцевый мель-
хиор (МНМц 20-20) увеличивает износостойкость клапанов я
засыпных аппаратов доменных печей в 2-3 раза. Однако высокая
износостойкой матрицы комп
зованисм твердых сплавов - :
эвтектического состава, обладающие необходимыми технологи-
ческими свойствами и повышенной износостойкостью.
Свойства сплавов-связок приведены в таблице 5.1, нз которой
видно, что сплавы системы Fe-B-C эвтектического состава
характеризуются легкоплавкостью, высокой твердостью, удовлет-
ворительными жидкотекучестью и окалиностонкостью.
Таблица S.I
Физико-химические свойства связок
композиционных материалов
Расплав
расплав Fe-B. Смачивание стальной поверхности железоборуглс-
родистым расплавом сопровождается образованием граничного
переходного слоя, обедненного бором. Изменение исходной
структуры сплава Fe-B-C в области биметаллического соединения
объясняется процессами самофлюсуемости расплава и диффузии
При повышенных скоростях кристаллизации расплава Fe-B-C
на стальной поверхности (V^ - 100-250'С/ч) в наплавленном
слое возникают напряжения, которые приводят к образованию
трещин в переходной зоне при последующей механической
обработке. Одна из причин низкой трещиноустойчивостн биме-
таллического соединения - разл
НТО» термическо-
го расширения (КТР) наплавленного слоя и основного металла.
рекомендуется в этом температурном интервале охлаждение деталей
Карбид (WC ♦ W,C) смачивается сплавом Fe-B-C, перегретым
выше температуры плавления на 50"С с образованием нулевого
контактного угла. Адгезия борсодержащей эвтектической связки
расплава необходимы перегрев выше температуры плавления
приблизительно на 50'С и выдержка 60-90 мин.
На границе раздела (WC + W2C) - (Fe-B-C) возникает
межфазная переходная зона. Возникновение переходной зоны
может быть объяснено взаимной диффузией
твердой подложки: вольфрам и углерод диффундируют в матри-
цу, а бор - в упрочняющую фазу. Уменьшить интенсивность
диффузионных процессов можно введением межфазноактивных
материала. Она
Незначительное растворение карбидных зерен эвтектическим
завом Fe-B-C приводит к упрочнению последнего и не ухудшает
ные пропиткой гранул карбидов титано-хрома сплавом Fe-B-C,
показывают удовлетворительное сплавление компонентов мате-
риала. Следовательно, комплексный карбид титана-хрома явля-
ется перспективной составляющей износостойких композиций.
Учитывая особенности сплавления борсодержащих расплавов
с армирующими гранулами и упрочняемой деталью, нанесение
температуре пропитки 1150-1180'С и изотермической выдержке
40-60 мии. Скорость охлаждения печи в температурном интервале
600-300*С/ч. Массовая доля износостойкой составляющей 50%.
Испытания износостойкости композиционных материалов по-
казывают. что наилучшие эксплуатационные характеристики у
эвтектической связки Fe-B-C.
Производственное внедрение борсодержащих композиционных
материала проведено в условиях Криворожского и Днепро-
тактиые поверхности уравнительных клапанов доменных печей
карбидов вольфрама с эвтектической связкой Fe-B-C. Наплав-
ленные слои характеризуются отсутствием пор, рыхлот я других
дефектов металлургического происхождения. Механическая об-
работка твердосплавным резцом по технологии, предложенной в
работе, допускается для композиционных покрытий, охлажденных
Примени индукционный нагрев, удалось получить материал,
состоящий из грубодисперсных износостойких частиц (арми-
рующая фаза>. связанных более легкоплавкой пластичной мат-
В качестве армирующей фазы выбраны литые гранулы чугуна,
полученные распылением на установке “Град”. В ходе форми-
рования рранул происходит их поверхностный отбел и образуется
мелкодисперсная перлитная основа.
Матрица должна иметь высокую жидкотекучесть, адгезионную
и смачивающую способность по отношению к различным чугунам,
обеспечивать сцепление с армирующей фазой н поверхностью
наплавляемой детали без образования в переходном слое хрупких
интерметаллидов, обладать достаточной прочностью и пластич-
ностью, низкой температурой плавления. Более всего таким
требованиям соответствуют серебросодержащие сплавы. Но из-за
высокой стоимости и дефицитности они неприемлемы. Поэтому
в качестве матрицы использовали латуни, легированные индием.
Температура сплавов, содержащих: 36-44% цинка, 1-5%
индия, остальное медь - 820-890’С.
В равновесном состоянии сплавы в основном имеют двух или
трехфазный состав;
а -фаза - твердый раствор цинка и мидия в меди;
у -фаза - твердый раствор на основе электронного соединения
CnjZn,.
Соотношение фазовых составляющих определяет физико-ме-
ханические свойства сплавов. По своим физико-механическим
характеристикам медно-цннко-нндиевые сплавы не уступают
большинству латуней и бронз, а по некоторым (сочетание ot, а,,
8. у) в литом состоянии превосходят такие антифрикционные
материалы как БрОФб, 5-4, БрОЦС4-4-2,5, БрАЖ9-4, БрКМц
3-1, ЛЖМц59-1-1, Лмц 58-2, Л090-1, ЛС64-2, ЛС59-1.
Определение растекания матричных сплавов по чугунам
С421-40 и АСЧ-2, заполнение ими вертикального капиллярного
зазора величиной 0,2 мм, выполненные по ГОСТ 20845-75,
показали, что сплавы хорошо смачивают чугуны. Площадь
растекания не ниже 1000 мм1, высота поднятия не ниже 85%.
Матричный сплав обеспечивает прочное сцепление как с
поверхностью детали, так и с армирующей фазой.
5.6. Прочность композиционных материалов
Прочность сцепления составляющих биметалла в значитель-
в меньшей степени, зависит от способа получения двухслойных
Прочность
биметаллах, изготовленных
наиболее распространенными технологическими способами, раз-
личается незначительно. В таблице 6.1 приведены рекомендации
о наиболее целесообразных методах изготовления различных
При высоких температурах в нагруженных КММ и других
неоднородных соединениях за равное время выдержки возникают
соединениями.
Учет отмеченных выше процессов диффузии и ее последствий,
приводящих к
а также напряженного состоя-
ния при механическом нагружении КММ. имеет весьма сущест-
венное значение с точки зрения обеспечения работоспособности
широком диапазоне температур.
В связи с расширением диапазона рабочих температур,
повышением нагружспвости н усложнением условий работы
। частности, предназначенных
тру»
ная эксплуатации в районах Восточной Сибири и Крайнего
Севера, существенно повышаются требования к материалам для
обеспечения высокого сопротивления разрушению, способности к
деформации при наличии разви-
вающихся трещин и достижения их торможения. Особый научный
и практический интерес представляет использование слоистых
металлов в качестве конструкционных материалов, эффектив-
ных с точки зрения сопротивления хрупкому разрушению.
Для конструкционных углеродистых сталей в условиях низких
температур при наличии обычно имеющихся повреждений.
например, трещин, надрезов, царапни, следов шлифования,
неплотных сварных швов и т.п., резко возрастает склонность к
хрупкому разрушению. Создавая вязкие слои на поверхности таких
сталей н сплавов, можно повысить
разрушению, в частности, при помощи направленной биметалли-
зации. В этом случае наиболее опасные поверхностные дефекты
переводятся во внутренние объемы или полностью залечиваются,
что и обусловливает существенное повышение надежности работы
материала.
Способы изготовления конструкционных биметаллов
ПяигукчяЛ саХ
Г НИ 1 HNWI -
Угаеродаст.. кчгелыш. П п, н п. н п. в п В В
конструкционная сталь обычной прочности п пн п, н п. в п в в
Тоже с - 470 МПа п п. н п, н п, в п в в
То хе с - 700 МПа - п п ii. в п в в
СП» п п. н п. н п. в п ° в
^Хгоеиая сталь П п. в п в В
Ферритная хромистая п. н п.в п в Е!
Основные методы повышения сопротивления хрупкому разру-
шению путем включения на пути возможного распространенно
трещин элементов или вставок из пластического металла
основаны на общих принципах распространения трещин в
структурно- и механически неоднородных материалах. При
сравнительно небольших скоростях развития трещин порядка
различные элементы структуры материалов.
. Эффективность торможения трещин зависит от количества
и протяженности полос скольжения, двойников и плотности
дислокаций. В этом случае природа торможения трещин опреде-
ляется полем упругих напряжений в окрестностях образования.
ций, а также потерей энергии трещины как на развитие процессов
пластического течения при замедлении ее скорости, так и на
наем хрупкому разруиинию. чем сплошные.
В последнее время в ИЭС им.Е.О. Патона разработаны новые
слоистые анизотропны: материалы, полученные заливкой твер-
дых пластин низколетрованной стали тем же металлом с
последующей прокатко*. Такие материалы обладают повышенной
трещиностойкостью вследствие анизотропии механических
Весьма аффективными материалами, в которых обеспечива-
ется высокое сопротшлепие хрупкому разрушению, являются
слоистые композиции, что позволяет получить комплекс физи-
ко-механических свойств, недостижимых при использовании
монометаллов.
Механизм разрушения биметалла, состоящего из твердой
основы и пластичного плакирующего слоя, состоит из трех
основных этапов. Скакала происходит зарождение субмикроско-
пических трещин в твердой составляющей. С увеличением
степени деформации наблюдается рост их до размеров микро-
трещины. Второй этап характеризуется ростом последней и
ляющую. В дальнейшем процесс разрушения, связанный с
протеканием первого н второго этапов, переходит в другие
объемы твердого металла с образованием новых трещин. На
третьем этапе интенсивность напряжений в вершины трещины
в твердой составляющей достигает критической величины и она
распространяется через пластичный металл, что приводит к
разрушению биметалла.
Совместное деформирование аналогичной трехслойпой ком-
позиции (имеется в виду композиция с пластичными наружными
слоями) приводит к тому, что появление магистральной трещины
в твердой составляющей задерживается, так как в этих условиях
в ней образуется только ряд мелких трещин. В результате этого
знцни оказывается значительно большей, чем в монолите, то есть
Увеличение числа слоев в аналогичных материалах приводит
к возрастанию работы разрушения. Кроме того, созданием
КММ6, состоящих из большего числа тонких слоев, можно
Распространение трещин в таких материалах происходит не
непрерывно, а с остановками на границе вязких слоев и
767
зарождением новых трещин в твердых составляющих. Это
требует дополнительного энергопоглощения, что и объясняет
ление усталостного разрушения биметаллов, поскольку цикличе-
ский вид нагружения является весьма распространенным воздей-
ствием в условиях эксплуатации гетерогенных материалов.
структуры и условий усталости может иметь место как вязкое
ческой деформации при зарождении и распространении трещин,
так и хрупкое, которое контролируется на всех стадиях уровнем
энергии, соответствующей разрыву межатомных связей.
кмм,
При циклическом же
состоящих из сталей, механизм усталостного разрушения сущес-
твенно усложняется.
Получение высокоэффективных слоистых материалов дсйст-
в значительной мере обусловлено их
костью. Изучение явления на границе
структурной
соедннения на атомарном уровне позволяет придти к заключению
о том, что возможна перестройка кристаллов и атомов и переход
валентных электронов в коллективизированное состояние с
образованием устойчивых металлических связей. С повышением
плотности дефектов кристаллической решетки увеличивается
уровень внутренней энергии в поверхностных слоях металлов.
схватывания, с другой способствует ускорению взаимодиффуэпи
фаз ках в процессе изготов-
ых нагревах биметаллического
лення, так и при
Поиск возможных способов оптимизации процессов образова-
нескольких направлениях. Наибоее перспективен способ создания
защитных барьеров между компонентами, которые бы ограничн-
технология создания защитных барьеров предполагает использо-
направлеинс в создании защитных барьеров, а именно, введение
в контактные слои соединяемых материалов структуропреобра-
зующих элементов, способных повлиять на их морфологию и
кристаллохимическую природу.
хти, а также струк-
Пр.
турной и концентрационной неоднородности в переходных зонах
КММ в настоящее время определенным образом основывается
на расчетной оценке коэффициентов и параметров диффузии.
Любая идеальная композиция состоит из компонентов, нахо-
дящихся в полном равновесии между собой в возможно широком
диапазоне температур, поэтому для обеспечения оптимального
выбора составляющих в КММ необходимо тщательное изучение
химической совместимости злементов, образующих материал.
Процессы химической совместимости определяются термодина-
мической совместимостью компонентов композиции. Поскольку
О1шых материалах, то для случаев искусственного соединения
металлов и сплавов характерна кинетическая совместимость -
. состояние метастабнльного равновесия, контролируемого скоро-
Разработаны рекомендации по выбору в коррозионностойких
биметаллах плакирующих слоев с точки зрения обеспечения в
них минимальных коэффициентов термодинамических активно-
стей элементов и диффузии углерода, а также установлено
влияние перераспределения последнего при горячей сварке про-
каткой и термической обработке на прочность основного металла
.покрытий. Применительно кпромыш-
ленным биметаллам типа “углеродистая сталь" +стали 08Х17Т.
15Х25Т, 12Х18Н10Т, 10X17HI3M3, определены парциальные
коэффициенты диффузии углерода, подтверждающие возмож-
ность расчета параметра К‘ из термодинамических соображений,
и показано, что при наличии обезуглероженной ферритной зоны
при температурах ниже А,, временное сопротивление разрыву
рожнвапия может быть рассчитано из соотношения:
зоны соответственно;
х, - ширина обезуглероженной зоны;
h1 - толщина основного металла.
Использование только традиционных методов химико-терми-
ской обработки для создания термодиффузионных барьеров
за счет использования химических реакций базовых материалов
с элементами малого атомного радиуса, т.е. барьер представляет
собой сочетание поверхностной пленки кристаллического строе-
ния и раствора внедрения химического элемента малого радиуса
в одном из компонентов СМ.
В таблице 6.2 приведены химические элементы малого атомного радиуса, способные образовывать стабильные пленочные защитные барьеры с рядом металлов, наиболее широко исполь- Таблица 6.2
Аттвпм Сот* мгаочного мютаого бадов*
А TI Ft Д1 Иа с* №
Н 0.46
0 0.66 ПО. ту}, RO. лу>, МпО, Мл О , Ж- С\о, СиО NK)
N 0.71 TIN, TljN f.Jn A1N C,N NijN
с 0.11 TIC Bl С»,С м,с
• 0.83 ту, *'»и Мп.В.. МлХ Мп;В
S 1.04 га, СиВ. CV
т 1.09
* 1.16 MnSc. Cu.Se, । СиЛ \is<
я 1,17 та, 1 с“^ о#
Сейчас эффективными, работоспособными, экономичными являются пирмодиффузионные барьеры на основе оксидов, нитри- дов, карбидов, гидридов, боридов изучаемых материалов. Изучение физико-химических особенностей взаимодействия защитные барьеры обнаруживает необходимость учета не только
комических функций.
Критерием опти
копия химической реакции компонентов через данный
величина реакции должна быть положительной, так как i
устраняется предпосылка образования хрупких фаз. f.
Защитный барьер создается в структуре того компот •
взаимодействие с которым обеспечивает получение боле 1
динамически устойчивого химического соединения.
э Установлено, что создание в композициях термоди4 _
вых барьеров ослабляет отрицательное температурное "
вне на структуру и рабочие свойства материалов, стх
увеличению температуры латентного периода на 20<
обеспечивает подъем температуры протекания процессе
ствллизации вследствие образования в дислокационной <
атмосфер Коттрелла-Судзуки.
Проблема разработки КММ как эффективных зак
традиционных методов и сплавов неразрывно связана с |
ряда технологических задач их изготовления и «I
Разработаны технологические способы сварки при истки
которых ограничиваются или сводятся к минимуму utf
ятныс явления, развивающиеся в зоне сопряжения раз’
металлов и, соответственно, формируется структурно)-
скос состояние биметаллов, оптимальное с точки зрей1
чеши наилучших эксплуатационных и технологичсскг
Повышенная сопротивляемость многослойных ко
и прибег
трещин по толщине стенки, поэтому в многослойных xci
сквозных разрывов, как правило, не бывает.
материалов в
ценных эксплуатационных свойств (коррозионная
высокая прочность, пластичность, износостойкость, ;
т.д.) при одновременной существенной экономии
дорогостоящих металлов и сплавов.
КММ представляет собой класс конст
родностью, которая формируется в результате
ского и механического взаимодействия слоев
В таблице 6.2 приведены химические элементы малого
атомного радиуса, способные образовывать стабильные пленочные.
защитные барьеры с радом металлов, наиболее широко исполь-
зуемых.
Таблица 6.2
Свет шютмго штоп» бт»
•п н Л1 Мл с» ra
И 0.46 TIH. ™7
° 0.66 по, м FeO, ед NIO
« 0.71 TIN, TljN ед: F^N лш ?? C..N NIjN
с 0.77 Fe.C, ед См3С NI,C
в 0.83 *Йв’ АШ,, А1ВЦ Мр,В ед i
S 1.04 ед Ftf, ед & c's
р 1.09 F»,F. F.,P, AIP c-z
S* I.U ед MaSe, MnSe, CuSe, CMjSe NISe,,
я 1.17 ffl M.jS1 Cu4 Ця T
являются термодиффузионные барьеры на основе оксидов, нитри- дов, карбидов, гидридов, боридов изучаемых материалов. Изучение физико-химических особенностей взаимодействия компонентов СМ и рабочих свойств материала через пленочные металлохимических свойств данного барьера, но и его термоди- намических функций.
Критерием оптимизации состава термоднффузионного барьера
канна химической реакции компонентов через данный барьер:
величина реакции должна быть положительной, так как при этом
устраняется предпосылка образования хрупких фаз.
Защитный барьер создается в структуре того компонента СМ,
взаимодействие с которым обеспечивает получение более термо-
пых барьеров осла
вне на структуру
в композициях термодиффузион-
ательиос температурное воздейст-
увеличению температуры латентного периода на 200...300*С,
обеспечивает подъем температуры протекания процессов рекри-
атмосфер Коттрелла-Судзуки.
Проблема разработки КММ как эффективных заменителей
традиционных методов и сплавов неразрывно связана с решением
ряда технологических задач нх изготовления и обработки.
Разработ
зческие способы сварки при использовании
которых ограничиваются или сводятся к минимуму неблагопри-
ятные явления, развивающиеся в зоне сопряжения разнородных
металлов и, соответственно, формируется структурио-мехаииче-
ченпя наилучших эксплуатационных и технологических свойств.
Повышенная сопротивляемость многослойных конструкций
обусловлена границами раздела, препятствующими развитию
трещин по толщине стенки, поэтому вмногослойных композициях
сквозных разрывов, как правило, не бывает.
материалов в некоторых областях машино- и приборостроения
решается путем создания и использования биметаллов и металлов
с защитными покрытиями, обеспечивающих получение комплекса
цепных эксплуатационных свойств (коррозионная стойкость,
т.д.) при
экономии дефицитных и
руктурой и механической неодно-
дорогостоящих металлов и сплавов.
КММ представляет собой класс
условиях эксплуатации
материалов в изделиях.
Оптимальный выбор составляющих КММ, технологических
режимов получения и рационального использования в элементах
конструкций машин и приборов должен осуществляться на основе
- кинетической совместимости элементов: состояния мста-
диффузионными явлениями и последствиями их протекания,
приводящих к появлению продуктов твердофазных химических
реакций, образованию микротрещин, пористости и другим фак-
торам, определяющим структуру и свойства материалов;
- физико-механического взаимодействия слоев и отдельных
структурных составляющих диффузионных зон, их влияния на
пластическую деформацию и разрушение композиций и, соот-
в интервале эксплуатационных н технологических температур.
Создание и использование новых КММ с высокими упругими
конструкций точных приборов морских аппаратов, ядерных
реакторов и оборудования химических производств, связано с
зацией выбора температур»
стной пластической деформ
। разнородных металлов на основе
исследования физико-химического и механического взаимодейст-
вия слоев при режимах, соответствующих условиям изготовления
КММ, изготовляемых методом
>ытий на упругие сплавы в ряде
и допускается незначительный износ при эксплуатации, а также
как способа изготовления защитных противодиффузионных под-
слоев в КММ, зависит от влияния технологических параметров
на уровень структурной, концентрационной и микромеханнчсской
неоднородности и, соответственно, на работоспособность матери-
алов в реальных условиях службы.
5.7. Изготовление композиционных материалов
плакированием и армированием
распространение получили методы, использующие сварку разно-
родных металлов в твердом состоянии. Получение неразъемных
соединений металлов в этом случае основано на трех основных
способах сварки давлением: с низкоинтенсивиым силовым воздей-
ствием (диффузионная сварка), со среднеиитснсивныы силовым
воздействием (холодная сварка), сварка трением, сварка прокат-
кой и с аысокоиитенсивным силовым воздействием (мапштно-
импульсная сварка, сварка взрывом).
Наиболее широко при производстве биметаллических толстых
(более 10 мм) и тонких (менее 5 мм) листов, полос, фасонных
профилей, труб, прутков, проволоки и т.п. применяются способы
сварки прокаткой. В соответствии с ГОСТ 10885-85 горячей
прокаткой получают конструкционные биметаллы с различными
Коррозионностойкими плакирующими слоями При этом широко
используется пакетный способ сварки металлов, когда исходной
заготовкой является пакет, состоящий из двух раздельных слоев
метричные пакеты. а также тройные пакеты. Наиболее распро-
страненными являются симметричные двойные пакеты, прокаты-
изготовления монометаллических листов аналогичных размеров.
Материаловедческое изучение взаимодействия слоев в КММ.
которое контролирует образование соединения при совместной
пластической деформации разнородных металлов, позволяет
воспроизводимость свойств получаемых материалов. На этой
основе разрабатываются технологические методы изготовления
тистов с плакирующими слоями из сплавов,
процессе термических воздействий сильному
сталь-титан работе предл
связывающим при
mini « вакууме и другие
Необходимость изготовления биметаллических конструкций,
еплуатнруемых в специальных областях приборостроения.
аппаратов, ядерных реакторов и оборудования химических про-
изводств, потребовало разработки технологии получения КММ,
обладающих, кроме требуемой коррозионной стойкости в агрес-
сивных средах, высокими упругими характеристиками. Для этих
целей разработаны технологические схемы плакирования с опти-
мизацией выбора температурно-деформационных параметров
пакетной прокатки и последующей термической обработки.
обеспечивающие получение новых слоистых композиций, в
частности, упругого сплава (36НХТЮ), плакированного тита-
ном ВТ1-1 или коррозионно-стойкими сталями 0Х23Н28МЗДЗТ,
0X17HJ6C5 и 0Х17Н13М2Т.
Принципиально отличающимися от рассмотренных выше
способов изготовления биметаллов являются импульсные методы
соединения металлов и нанесения покрытий при помощи сварки
взрывом и детонационного напыления.
Как известно, при сварке взрывом в процессе соударения
сопрягаемых заготовок происходит очистка поверхностей и
удаление окислов и частиц свариваемых металлов, что с
1см кумуля-
гидродинамических позиций объясняется обр
ТИВНОЙ струи При взаимодействии двух П01
жидкости, образующейся из приграничных о(
ного и основного металлов. При этом движение потока массы
металла, выносимого впереди точки взаимодействия слоев, со-
провождается перемешиванием коитактируемых поверхностей н
образованием в биметалле завихренных промежуточных зон.
в условиях высокоскоростного
взаимодействия метаемых пластин составляющих биметалла.
Анализ зависимости прочности сцепления слоев от режимов
сварки взрывом показал, что эта характеристика определяется
степенью деформации коитактируемых металлов, выражаемой
недостаточными, так как для связи этих параметров с энергети-
ческими факторами образования неразъемного соединения тре-
буется выполнение третьего условия: > gtmx > g^,. Величина
максимальных пластических сдвигов на границе раздела слоев я
свариваемых металлах gjmi должна превышать критическую
величину gsp. При этом затрачиваемая на деформацию кинети-
ческая энергия взрыва обеспечивает необходимую степень акти-
соединения металлов. Однако gip ие должна превышать прсдель-
ясравномсрность пластической деформации приграничных участ-
ков свариваемых металлов и амплитуды волн по длине их
контакта, что способствует появлению на межслойной границе
оплавленной структуры и зов взаимного перемешивания состав-
ляющих биметалла.
димо учитывать также возможность образования между метал-
лами различных типов соединений. По составу слоев при сварке
взрывом и последующей термической обработке могут быть
хгтью (Cu-Mo, W-AI,Pb-Fe,
Cu-PI, Мо-Al, Ag-Mo);
- обладающие полной или ограниченной растворимостью
(W-Mo.Cr-NI.W-Nb);
AH'i, Al-Ni.Ti-Ni, Cu-Ti).
Физико-химические исследования взаимодействия слоев в
биметаллических соединениях показали, что в ряде случаев при
сварке взрывом могут образовываться переходные зоны, обуслов-
ленные развитием как процессов взаимного перемешивания
составляющих биметаллов, так и диффузионными явлениями
между ними в результате интенсивного разогрева и больших
пластических деформаций в зоне соударения металлов. Проте-
тепловых воздействиях в механических нагружениях биметаллов
в процессе технологической обработки и условиях службы.
зоне сопряжения разнородных металлов, тем более, что сварка
взрывом находит все возрастающее применение для изготовления
и последующей эксплуатации материалов в качестве специаль-
ных трубопроводах, а также в различных тяжслонагруженных
элементах машиностроительных конструкций, в том числе в
теплообменниках, вакуум-аппаратах, гидроаккумуляторах, кор-
Применение в различных областях тонким слоем коррозион-
ностойких металлов позволило сократить как эксплуатационные
затраты, так и расход дорогостоящих материалов.
Многослойные металлические материалы, в частности -
многослойные трубопроводы изготавливают различными мстода-
Созданы различные многослойные трубопроводы, полученные
энергией взрыва с использованием в качестве заряда детони-
рующих газовых смесей.
Применение последних обусловлено их доступностью, просто-
той хранения и транспортировки, возможностью легко и в
широких пределах дозировать энергию, а также автоматизировать
процесс изготовления многослойных труб, который заключается
в раздаче (осадке) одного из слоев на материал основы.
При этом в получаемом многослое возникают предваритель-
ные напряжения, которые способствуют пе только равномерному
распределению напряжений по толщине стенки, но и плотной
посадке одной трубы в другую.
В качестве материала основы использовались трубы из
коррозионностойких сталей (12Х18Н9,12Х18Н10Т), титановых
сплавов (ПТ-7М, ОТ4-0, OT4-I), конструкционных сталей (сталь
45, сталь 30, сталь 3) длиной до 6 м и трубная арматура диаметром
20-145 мм с толщиной стенки 1,0-3,0.
В качестве материала покрытия (плакирующего слоя)
применялись алюминиевые сплавы (АМГ-2М, АМг-6, Д16АМ),
медные сплавы (М3, Л62, Л63), а так
опали (12Х18Н10Т, 08ХА18Н10) в др.
юнностойкие
Применение даююго способа изготовления многослойных труб
и их элементов с использованием в качестве энергоносителя
детонирующих газовых смесей обладает рядом преимуществ, к
элементов благодаря простоте: дозировка энергии газовых смесей,
доставка, хранение и использование которых пе представляют
технической сложности; возможность изготовления широкой
номенклатуры трубопроводов по слойиости, применяемым матс-
риалам основы и
размерам.
труб с использованием в качестве энергоносителя газовых смесей
не лишен недостатков, присущих газовому источнику, главным
аз которых является ограниченный запас энергии газового заряда,
а значит и толщины соединеяемых слоев.
Полученные при помощи данного способа многослойные
композиции обладают широким диапазоном эксплуатационных
свойств, таких как коррозионная стойкость, повышенная живу-
честь и надежность.
Метод позволяет нзпигавлявать многослойные композиты не
только на прямолинейных цилинднрческих участках, но и
плакировать рельефные элементы трубопроводной арматуры,
такие как компенсаторы, переходники и др.
различных отраслях промышленности.
Основные пути повышения механических характеристик
плакированных многослойных композиций заключаются в сле-
дующем:
а) выбор химического состава многослойных сочетаний сталей
и сплавов должен обеспечивать максимальную устойчивость
неоднородности;
б) создание “барьерных слоев”, препятствующих развитию
диффузионных процессов, должно приводить к повышению
прочности связи слоев и снижению отрицательного влияния
в) при назначения режимов термической обработки при
последующих нагревах желательно избегать интервала темпера-
тур 600-800*С, в котором происходит выпадение карбидов из
твердого раствора аустенита плакирующего слоя.
лили вычислить коэффициенты, показывающие степень пони-
. хающего или повышающего влияния вводимых в основной слой
легирующих элементен} (параметр взаимодействия равен коэф-
фнциенту эффективности легирования) и позволяющие рассчи-
тывать количество легирующих элементов для получения так
называемого “скомпенсированного" биметалла, т.е. не имеющего
разности активностей углерода в слоях. Расчеты показали, что
в ряде случаев для полного выравнивания активностей углерода
необходимо значительное легирование. В связи с этим большую
тивных барьеров (прослоек) для диффузии углерода.
Таким образом, разработка технологии упрочнения металли-
следующей последовательности:
а) определяется состав основного и плакирующего слоев по
условиям эксплуатации биметалла, после чего выбирается пара
“основа+плакирующей слой" по условию нулевой или минималь-
соответствующей пары не удастся получить нулевую разность
активностей, то по приводимым выше формулам определяется
высокой степени легирования основного слоя, принимается
6) выбирается тип прослоек, определяемый толщиной и
составом плакирующего слоя, циклом термического воздействия
условиями эксплуатации (температуры, напряжений, циклично-
сти, длительности внешних воздействий и т.д.);
в) состав прослоенного сплава проверяется на сто техноло-
гичность (схватыемость, температура горячей обработки давле-
нием, окисляемость. отсутствие охрупчивания в процессе изго-
товления и службы).
ИЭС им. Е.О. Патона совместно с Коммунарским металлур-
гическим комбинатом налажено изготовление в промышленных
условиях износостойкого биметаллического листа с плакирующим
слоем из порошка ПГ-С27 (3,3-4,5% С; 25,0-28,0% Cr;l,0-2J)%
SI; 0.8-2.0% Мп; ОЛ-О.4% W; 0.08-0,15% Мо; основа - Ее), компак-
тированного в процессе горячей прокатки герметизированных
енная технология изготовления и
лающая получение двух- и трех-
Изготавливают пакеты с габаритными размерами 240x1200»
1500 мм и внтуренней полостью 85x1120x1340 им, которая
заполняется порошком. Первый пакет (износостойкий слой в нем
располагается между двумя слоями низкоуглеродистой стали)
предназначен для прокатки трехслойного листа, второй - для
двух двухслойных листов.
Для изготовления пакетов используют слябы низкоуглероди-
стой стали и рамки стандартных размеров, применяемые в цехе
Коммунарского меткомбината. Это позволило производить сбор-
ку я сварку пакетов на серийном оборудовании, причем
пронзводят прихватку их между собой. Проваривается корень
шва механизированной сваркой в среде СО, на специальном
стенде. В образовавшуюся полость засыпают порошок ПГ-С27
фракции б 400 мкм. Общий расход порошка на один пакет
составляет около 600 кг. После уплотнения порошка путем
периодического встряхивания пакет накрывают верхним слябом
пакета для прокатки двух двухслойных листов 1
ливают разделительные листы малоуглеродиста
шва. При сборке
кой, препятствующей сварке во время горячей прокатки. Сварку
пакетов производят под флюсом.
на стане 2600. Для
30 мни. Пакеты прокатывают
бивка ширины"), а затем, после кантовки на 90"С, прокатывают
вдоль до необходимой толщины.
Нессиметричиый трехслойный пакет был прокатан без заме-
чаний. При прокатке симметричного пакета произошло частичное
разрушение флангового шва пакета. По этой причине пришлось
снизить темп прокатки и уменьшить обжатие за проход, что
привело к остыванию пакета и послужило
характерного дефекта - неравномерности плакирующего слоя.
Пакеты прокатывают на толщину 20 мм. После обрезки
кромок получают двухслойные листы 10x1500x11500 мм и
трехслойиые листы 20x1500x11500 мм.
кирующим слоем из порошка ПГ-С27, компактировапиого в
процессе горячей прокатки герметичных пакетов, освоено в
промышленных масштабах.
Антифрикционные биметаллы с алюминеоловянным плаки-
предложены и опробованы ЦНИИМПС. В качестве плаки-
рующего слоя используются алюминиевые сплавы А9-1 и А20-1,
а также сплавы типа АО, например, сталь А020-1, основой
биметалла является низкоуглеродистаясталь по ГОСТ 3836-83.
Биметаллы в сочетании сталь-антифрикционные алюминие-
вые сплавы наибольшее распространение получили в автомо-
ьження была
на высокопроизводительных автоматизированных линиях.
В качестве плакирующего антифрикционного материала в
США и Англии наибольшее распространение получили сплавы
на алюминиевой основе с добавками 1,5-25% олова и других
легирующих элементов.
Оптимальным антифрикционным сплавом для плакирования
является разработанный HATH сплав типа АСМ (3,5-6,5% Sb,
03-0,7% Mg, не более 0,75% Ре, не более 0,5% Si, остальное А|).
Сплавом АСМ обычно плакируют низкоуглеродистые стали
по ГОСТ 3836-83 или сталь 08КП но ГОСТ 1050-88. Стальная
при работе подшипников под нагрузкой. Би:
дыши по механическим и антнфрикциог
уступают вкладышам, изготовленным зал)
Вкладыши из указанных биметаллов способны работать при
нагрузке до 250 МПа в течение 4000 ч без образования
усталостных разрушений.
Для тяжелокагруженных тепловозных дизельных двигателей
плакирующим слоем из сплава на цинковой основе типа Ц АМ 9*1 »5
<8-11% Al. 1.0-2.0% Си. 0.03-0,06% Mg, остальное Zn).
Практический опыт использования биметаллов для изптгов-
лення вкладышей по;
различных двнгате-
лей свидетельствует о большой перспективности применения
плакирования при создании новых антифрикционных материалов.
При разработке
таллн четких композ;
। использование таких
прогрессивных технологических процессов, как, например, сварка
взрывом и вакуумная прокатка.
В Волгоградском политехническом институте разработана
схема одновременного двухстороннего плакирования листовой
заготовки с помощью импульсного нагружения. Получаемая при
этом композиция может быть непосредственно использована как
конструкционный материал или подвергнута горячей прокатке на
требуемую толщину листа.
Указанная схема успешно применяется для использования
плакирования как средства уменьшения склонности закаленных
сталей к хрупкому разрушению.
Представляет существенный интерес приведенное в таблице
7.1 сопоставление механических свойств нержавеющей листовой
стали Х18Н10Т н трехстойиой композиции в виде листа более
прочной и дешевой стали ЗОХГСА, плакированного с обеих
сторон тонкими листами стали I2X18H10T.
Такая трехслойная сталь после закалки и низкого отпуска
имеет наружные коррозионностойкие слои и внутренний высоко-
прочный основной слой из твердой, но не стойкой против коррозии
В трехслойных слоистых плакированных металлических ком-
позициях, таким образом, могут быть обеспечены такие сочетания
коррозношгой стойкости, а также прочности и пластичности,
какие невозможно получить в монометаллическом материале.
Кроме того, по расходу дорогостоящих легирующих элементов
трехслойные стали обладают несомненными экономическими
преимуществами.
Сварка трсхслойиых сталей указашюго типа при монтаже
конструкций № вызывает серьезных затруднений, при этом для
образования шва целесообразно применять аустенитную прово-
Механические свойства монометаллических и
трехслойных сталей
Сталь Х18Н10Т 600 300 30 25
Сталь ЗОХГСА 1600 1400 4-5 О-2
инутренкий слой ЗОХГСА + наружные слоя из 12Х18Н10Т толщиной 10% каждый IS00 13S0 >8 7
То же. по 20% каждый 1250 1050 10-12
То же. по 30% каждый 1000 850 20 15-16
Плакирование весьма существенно влияет на ударную вяз-
сталей намного выше, чем одной стали ЗОХГСА даже при высоком
отпуске. Таким образом, плакированием можно полностью
устранить отпускную хрупкость высокопрочных сталей
Сравнительные данные ударной вязкости
плакированной и не плакированной стали
У сэра • всдот». в . Н/м
Таммратууа отпуска
МО'С WC 4М*С
Сталь ЗОХГСА 75 62 ПО
Сталь ЗОХГСА + 20% 12Х18Н1ОТ 80 90 130
Сталь ЗОХГСА 4- 50% 12Х18Н10Т ПО 130 160
ными прочностными характеристиками, когда составляющими
являются химически активные металлы - вольфрам, молибден.
логических процессов плакирования, исключающих взаимодейст-
вие этих металлов с газами и образование окислых пленок на
контактных поверхностях.
матеряалов является прокатка в вакууме и инертных газах.
Схема вакуумного прокатного стана разработана и создана в
Московском институте стали и сплавов. Стаи представляет собой
единый комплекс прокатного, вакуумного н термического обору-
дования и позволяет производить предварительный нагрев,
прокатку и термическую обработку металлов и биметаллов в
вакууме и в инертной среде без нарушения непрерывности
8 процессе изготовления биметаллов независимо от техноло-
гии получения между соединениями разнородными состав-
ляющими композиции, как было показано выше, протекают
сложные физико-химические процессы, приводящие к образова-
нию переходной зоны.
Наиболее типичным для двух- и многослойных сталей случаем
является образование в плакирующем слое, вблизи границы
Напрпмер, обезуглероживание основного слоя плакированной
трехслойной стали типа 12Х18Н10Т + ЗОХГСА + 12Х18Н10Т
приводит к существенному ослаблению высокопрочной состав-
ляющей и может вызвать зарождение трещин в мягкой прослойке
при деформировании композиции. Науглероживание плаки-
определенных условиях может являться причиной образования
хрупких трещин в карбидных прослойках.
Важным аспектом аффективного использования композицион-
ных материалов является изготовление их армированием и
на максимальном удалении от нейтральной оси по внешнему
контуру элемента конструкции способом приклеивания полос или
лент композиционною материала,
несущую способность конструкции,
Использование армированных материалов для повышения
прочности элементов конструкций путем соединения при помощи
склеивания лент, стержней или профилей из композиционных
материалов с монометаллическими деталями позволяет реали-
зовать ряд преимуществ, поскольку при этом могут нспользо-
твляться экономия дефицитных в ряде случаев композиционных
материалов. Чаще всего этот способ реализуется путем прикле-
ивания к полкам ребер жесткости полос из боропластика,
заполнение внутренних полостей металлических элементов не-
прерывными волокнами бора с последу*
\кой смолой и
С возрастанием прочности стоппера, как правило, повыша-
ется несущая способность конструкции. Однако при проектиро-
вании мест установки стопперов следует иметь в виду общую
картину распределения напряжений в конструкции с тем, чтобы
местное повышение прочности, а главное
вызывало бы локальной концентрации напряжений, которая
может привести к преждевременному разрушению усиленного
элемента.
> могут выполнять ремонт -
материалов, с помощью
которых осуществляется подкрепление элемента конструкции,
имеющего трещину. Установка ремонтных накладок вблизи
концов трещин может предотвратить резкое снижение разру-
шающих напряжений при статических нагрузках. Увеличение
объема приме!
ионных материалов приводит к
а также значительно увеличива-
ется ресурс.
Комплекс свойств получаемых
или использовать их в более жестких условиях эксплуатации,
при которых применение традиционных материалов невозможно.
В настоящее время у таких материалов как сталь, титановые
и алюминиевые сплавы повышение удельной прочности и
удельного модуля упругости достигло определенного уровня
насыщения. У композиционных материалов эти характеристики
расположения композиционных материалов по сравнению
значительном удалении от начала координат, что свидетельст-
вует о больших преимуществах армированных материалов.
В таблице 7.3 приведены данные ВИАМ об основных
характеристиках некоторых стандартных сплавов и композици-
онных материалов.
Композиционные материалы с полимерной матрицей в ряде
случаев оказываются незаменимыми при обеспечении требуемой
акустической прочности элементов конструкций.
Применение композиционных материалов в конструкциях
Промышленностью изготавливается также КМ на основе
Особенностью КМ на основе магния является высокая тер-
мическая стабильность структуры и свойств вплоть до начала
размягчения. По удельной прочности в жесткости КМ Мд-В
превосходят большинство КМ на металлической основе ( в том
числе и на основе алюминия), предназначенных для использо-
вания при температурах 20-500 "С. кроме борных волокон для
армирования магния применяют УВ, волокна карбида кремния,
стали, титана, тантала, оксида алюминия, с которыми магний
и магниевые сплавы нс реагируют.
KM - диффузионная сварка,
Свойства. Независимо от технологии получения прочность
тельно больше, чем у высокопрочных жаропрочных сплавов. При
повышенных температурах наиболее высокие значения прочности
имеют КМ, изго
к и давлением и
порошковой металлургии. Зависимость модуля упругости пока-
зана на примере сплава хастеллой - X.
Свойства этих сплавов представлены в табл. 7.4-7.7.
Свойства КМ Мд-В, полученных пропиткой
Таблица 7.6
Модуль упругости КМ хастеллой-вольфрам
е.с в. пн г. с агш в^. ГП.
20 245 21,2 600 220 19.0
<Х) 240 20.7 700 215 18,6
400 232 20,0
Таблица 7.1
Свойства КМ Мд-В, полученных непрерывным литьем
В. ГП, Я.. ГП. о,. МП. ..мп.
25 105 1150
30 220 960
75 330-340 245 1300 1600
Применяются никелево-вапьфрамовые КМ, удельная проч-
ность их при t>1100'C значительно больше, чем у высотопрочных
жаропрочных сплавов.
В табл. 7.8 и 7.9 указаны длительная прочность и ударная
Таблица 7.8
Длительная прочность КМ никель-хром-вольфрам
км - °-- то*, дх/tr
оа.% МПа
СплавХН7ВТ- 24 11,0 1100 50 0,455
35 12,18 1100 85 0.75
41 12,9 95-100 0,735
Сплав XH7BT-na.it>- 27 11,3 60-65 0,56
фр.мВТ-7 50 13.8 150-160 11,08
Сплав ХН7ВТ- вольфрам ВТ-10 25 11.1 7O-S0 0.635
Сплав ХН60ВТ- 50 14 1 1000 240 1,70
вольфрам ВТ-7 50 14,1 1100 150 1,06
50 14,1 1200 90 0,63
Сплав ХН60ВТ- 12.4 1100 104 0.84
r.e
Сплав ЖСбК-воль- 43 12,6 1100 150 1 IO
фртм ВЛ 45 12.6 1200 42 0*33
Хастеллой-X -ппльфрпм 30 11,54 650 593 5.33
30 11.54 775 510 4.57
33 11.87 815 331 2.79
33 11,87 900 283 2.44
37 12.32 950 245 2,03
Сплав 1НСО713С- 20 10,82 1000 154 1,45
(W-Re) 20 10,82 1100 95 0,89
Нкмоклст 40 12,46 1100 212 1,91
258-ватьфрам 40 12.46 1200 108 0,89
Сплав 40 12,73 1000 263 2,11
ЕРД-16-вольфрам 40 12.73 1100 131 1.04
Сплав NASA-3- 70 16,19 1100 241 1.49
(W-ThOj) 70 16.19 1200 97 0.7
Сплав NASA-3- (W-TbOj) TO 15.19 1100 331 2.10
Сплав NASA-3- (W-Hf-C) TO 16.9 414 2,45
Ударная вязкость КМ Ni-W, полученных динамическим
1 1 I I “• НО Дж/м’
Сетка трикотажная иэ проволоки диаметром 0.05 мм
Петельные столбики направлемы параллельно оси образца Петельные столбики направлены перпендикулярно оси образца
0 17.7 ]4 2,25
!4 3.4S 24 1.22
24 2,01 33 0.66
33 1.27 40 0,41
40 1,01
Пропат ока диаметром 0,065 мм однонаправленная
Параллельно оси образца | Перпендикулярно оси образца
33 1 *•' 1 2 0.44
Таблица 7.10
Механические свойства КМ, полученных методами
вакуумного высасывания
км г.с МП. мп. Дж/сг
Сплав ЖС6К- 45 12™ 385 290 43 0.8 3.4 за 6.5 11,5 26 4,5
847 825 832 6.8 6.6 6.7 5.5 23 0.4 Х4 2.2 2,8 4.0
Сплав ЕРД-16- so 1000 5.3 5.0 4.6 4.0 41
применять пакеты, состоящие из чередующихся слоев бериллиевой
проволоки, полученных методом намотки, и слоев алюминиевой
фольги; уложенную в форму бериллиевую проволоку с нанесен-
ным на се поверхность алюминием; пакеты, состоящие из слоев
алюминиевой фольги с уложенной на ее поверхности методом
намотки бериллиевой проволокой, закрепленной слоем алюминия.
слои, состоящие из бериллиевой и алюминиевой проволоки.
евого сплава 6061 с 47 об. % волокна борсих и 6 об.% проволоки
из коррозионной стали, уложенной перпендикулярно борному
волокну, получали методом диффузионной сварки под давлением
в вакууме. При этом следует применять температуру 500"С,
давление 700 МПа в течение 1 ч, в результате предел прочности
такого материала в поперечном направлении будет равен 290
МПа. Свойства КМ Al-В представлены в табл. 7.11-7.17.
Композиционные материалы на основе титанового сплава
СП - 6% и А1 - 4%) также целесообразно получать методом
диффузионной сварки. Сварку следует проводить в вакууме при
температуре 900’С, давлении 850 МПа в телепне 30 мни.
Целесообразно использование композиционных материалов в
автомобильной промышленности для легкого и грузового транс-
порта. Здесь эффективно их применение для облегчения кузовов,
изготовления коробок передач, поршней цилиндров, передаточ-
ных механизмов, трубчатых элементов, охватывающих стальной
вала двигателя, рессор, шасси с
усиливающими элементами и др.
Использование композиционных материалов при создании
изделий современной техники становится все более распростра-
приносят высокие параметры композитов по прочности, износо-
стойкости, диэлектрическим свойствам, коррозионной стойкости
и другим специфическим характеристикам, важным при решении
технических вопросов в той или иной области.
Таблица 7.11
Свойства КМ сплав 6061 - бор
различной укладкой волокон
Таблица 7.13
Предел выносливости КМ сплав алюминий-бор
Таблица 7.15
Механические свойства КМ сплав алюминий-бор при
растяжении в поперечном направлении
...МП.
«... 1 ... 1 «... 1 -
Сплав 6061 - бор
101 112 — 109 176 0.3
142 141 141 133-155 245-306 0.6 0.6
203 148 148 137 259 0.7 0,2
Сплав 2024 - бор
'« 1 1 1 1 138 | 184-191 | 268-337 1 - 1
3. Предел прочности сплава 2024 без т.о. равен 19 МПа, с тл. - 49 ИПа.
Таблица 7.16 Механические свойства КМ сплав алюминий-бор при растяжении в продольном направлении
| 8. ГПа | 1 | 1 -
А1 -В
0 70 70-140
10 105 300-380
20 130-140 500-650
30 180 700-900 0.7
40 190-220 900-1140 0,7
50 200-257 1100-1400 0,6
Сплав 6061 - бор
I 1100-1200 1
60 260-277 | 1400-1600 «
Сплав 2024 - бор
50 220-240 1 1100-1200
70 | 2,0 | 1600-1800 1 м
3. Предел прочности сплаве 6061 без т.о. раки 130 МПа, с тл, - 320 МПа.
Следует рекомендовать в качестве одного из технологических
путей получения материала алюминий-бериллиевая проволока
диффузионную сварку под давлением.
Целесообразность применения композиционных материалов
увеличении грузоподъемности и проходимости машин, уменьше-
нии расхода резины и горючего и тем самым увеличении срока
эксплуатации транспорта. Высокая эффективность применения
и вибростойкости при малой плотности.
Применение деталей из композиционных материалов взамен
остальных деталей повышает в 2-3 раза удельные прочность и
Автомобильная фирма Toyota (Япония) сообщила о примене-
нии паликристаллических волокон оксида алюминия для армиро-
вания алюминиевых шатунов в экспериментальном высокоэф-
фективном двигателе спортивного автомобиля Special CarFX-1.
Шатуны разработаны по совместной программе с фирмой DuPont
(США), которая поставляла фирме Toyota алюминиевые образцы
Garn, армированные волокнами, и шатуны. В настоящее время
фирма Toyota разработала собственную конструкцию шатуна и
технологию литья.
Керамические волокна FP более чем на 99% состоят из
который характеризуется
чистого оксида
также сниженным порогом хладноломкости. Благодаря этим
свойствам материал пригоден для усиления цветных сплавов.
По сравнению с обычными алюминиевые и магниевые отлив'
большую жесткость и в 4 раза большую усталостную прочность,
а также более высокую теплостойкость. Замена стали более
легким алюминием (до 35%), армированным керамическими
волокнами, позволяет повысить эффективность использования
топлива, улучшить работу и уменьшить вибрацию двигателя,
Весьма перспективным является применение композиционных
материалов в тяжелых транспортных и сверхзвуковых пасса-
Об эффективности применения композиционных материалов
вания в конструкции самолета ИЛ-62. Их использование обеспе-
чивает снижение взлетной массы при сохранении летных харак-
теристик на 17%; увеличение дальности полета при сохранении
взлетной массы на 15%; увеличение полезной нагрузки на 20%
ные волокнами бора и борсика. в обшивках фюзеляжа транспор-
тного самолета, в створках ниши шасси, панели крыла самолета
крыла самолета “Нортроп F-5",закрылках самолета "Е-4 Макдо-
нелл-Дуглас", предкрылков самолета “Локхид С-5А”, в конст-
рукции внешней обшивки горизонтального стабилизатора истре-
бителя Р-14 и руля высоты самолета С У1101С.
Перспективно применение обшивочных панелей авиационных
конструкций, изготовленных из титанового сплава, нзбирателыю
упрочненных элементами из боралюминия, соединяемых пайкой.
Различными методами получают большое число волокнистых
композиций на основе алюминия: алюминий-сталь, АРМо, AI-W,
Al-В, Ak-SiC, АРАЦО,, АБС; алюминий, упрочненный стеклян-
ными и кварцевымиволокнами. Алюминий с молибденом образуют
следующие фазы: МоА1р МоАЦ, МоАЦ. Кроме этого в системе
интервале атомных долей молибдена 0-40% обнаружено 2-е
промежуточные фазы, близкие по составу к МоАЦ я МоА1г
Растворимость молибдена в алюминии в твердом состоянии
составляет 0,01-0,02% при температуре 500‘С и около 0,2 %
при 700'С.
При динамическом горячем прессовании листовых КМ на
основе сплава ХН60ВТ заготовку типа “сэндвич", помещенную
в вакуумный контейнер, нагревают до 1000-1200*С и уплотняют
с помощью фракционного молота. Оптимальные режимы динами-
ческого горячего прессования следующие: температура 1200’С,
удельная работа уплотнения (отношение энергии удара к массе
уплотняющей заставки! 14 + 612 Дж/кг.
WAIr WAI,. Растворимость вольфрама в алюминии
Технология получения. Дли получения КМ AI-W могут
часто используется диффузионная сварка в сварка взрывом.
Свойства Ввиду высокой плотности вольфрамовых волокон
КМ A1-W по удельным характеристикам значительно уступают
всем другим КМ па основе алюминия. КМ A1-W. полученные
сваркой взрывом, при объемной доле волокон 0,018: 0,1 и
0,09-0,17 имеют предел прочности соответственно 131,2; 370 и
404 МПа. Эти КМ перспективны для получения материалов с
плотностью (7-12,5) 103 кг/м’.
Композиционный материал алюминий-сталь обладает срав-
нительно высокой прочностью о, 1000 МПа, повышенным
сопротивлением переменным и ударным нагрузкам, высоким
Сопротивлением ползучести при температурах до 400"С.
Алюминиевые матрицы САП-1, АД1, АВ упрочняют высоко-
прочной стальной проволокой.
Для получения композиционного матерала использовали три
способа получения: сварку взрывом, горячую прокатку в вакууме,
диффузионную сварку.
Наиболее перспективным способом получения композиции
алюминий-углерод является пропитка волокон углерода жидким
металлом, его свойства представлены в табл. 7.18.
Свойства алюминий-сталь представлены в табл. 7.19-7.24.
Таблица 7.18
Свойства при растяжении КМ сплав алюминий-углерод
в значительной степени от метода изготовления и технологиче-
ских параметров. Предел прочности КМ заметно не меняется
вплоть до температуры плавления матрицы. Длительная (100-
часовая) прочность КМ АРС при 400'С составляет 150-200 МПа.
Предел выносливости КМ А1-Сс объемной долей УВЗЗ-38% при
Ь=20'С составляет 270, 230, 200 и 170 МПа, соответственно при
базах испытания 104, 105. 106 и 107 циклов.
углерода, покрытые боридом титана при содержании 0,42% Vf,
имели <7,-1120 МПа, Е-210000 МПа.
прочную стальную и титановую проволоку, волокна бора и
углерода, нитевидные кристаллы карбида кремния и сапфира.
Большое преимущество магниевых сплавов как матрицы
волокон, что позволяет применять для получения композиционных
материалов жидкофазные технологии.
Композиции на магниевой основе изготавливаются в настоящее
время технологическими методами горячего прессования или
диффузионной сварки, непрерывного литья, пропитки жидким
металлом. плазменного напыления с последующим прессованием,
По сравнению с алюминиевыми и магниевыми сплавами
изготовление композиционных материалов на основе титана
требует применения довольно высоких температур, достигающих
800-1000'С.
Наиболее перспективными и достаточно изученными упроч-
нителями для титановой матрицы валяются волокна бора,
молибдена, бериллия. BSiC, SiC и АЦОГ
Распространенным способом получения композиции титан-
бор. титан-борсик является диффузионная сварка.
Никелевые композиции изготавливают методами обработки
давлением, пропитки раствором и порошковой металлургии.
Для получения композиционных материалов иа никелевой
Таблица 7.19
Механические свойства КМ сплав алюминий-сталь
Ofeauai юн re .„.МП. 4 Па & 1
npc^atotB. % огомюп К.Ч
10 102 163 юз
15 107 ... 184 9.9
1лзв AMr6-c таль XI3HI3; М2
5 20 ... 2700 422.5
10 2700 525.0
15 2700 692.0
25 3000 1020.0
300 и. 212 5.1
15 302 3.7
5 350 128 193 123
15 ... 264 8.9
< плав AK8 - с таль 12Х18Н
5 20 1900 336,0
10 1900 388
15 1900 469
плав Д20 - с таль 12X18»
5 20 2000 250
10 2000 300
15 2000 430
30 21ХХ* 700
плав Д20 ~ с таль 2X15I1A
20 1 - 2400 1 449 1 -
20 1 - 2400 1 «И 1 -
таль 12X18»
5 20 2000 327
14 2000 437
20 2000 537 ...
плав В95 - с- галь 2Х15НА
28 1 » 1 - 1 3980 | >204 1
Прочность КМ
после закалки и старении
Таблица 7.21
4Й-сталь
(Хмыаа лам .,М1Ь о. МПа
пгожлош. X 1 | «
сваркой
Сплав АК8 * сталь I2X18H9T Сплав Д16 - сталь 12Х18Н9Т
5 1900 450 14 2000 I 553
ю 1900 500 20 2000 j 640
15 1900 564
Сплав Д20 - сталь 12Х18Н9Т Сплав В95 - сталь 12Х18Н9Т
IS 2000 466 14 2000 590
2000 573 20 2000 687
21 1 I 2000 593
Сплав Д20 - сталь 2Х15Н5АМЗ Сплав В95 - сталь 2Х15Н5АМЗ
14 1 | 2400 I а | зио । 1402
- j 2400
Физические свойства КМ сплав алюминий-сталь
§
Таблица 7.22
— а. пи а» гп. 1 у.»'»/,' a. 10-0 К-1. птедвые тшяфжгур, С
1 jo-loo | 20.200 | 20. МО | 20.440 | 10 - ЯО
Сплав АД1
70 ... 2.71 | 233 | 24.6 | 253 | 263 | 27.7
Сталь 12Х18Н10Т
210 ... | из | 17.1 1 I 17.0 1 1.3
Сплав АМ|6«таль I2X18H9T
6 72,8 72.8 2.95 aJJ
8 76.6 76.1 3.05 4.
15 80.1 853 3-41 ...
20 90.8 3.67
Сплав АМ г-сталь 12Х18Н10Т
10 3.22 16,0-21.4 17,1-21.8 15,5-21.6 16.0-21 Л
20 3.72 17,0-203 17.1-21,0 163-21.2 16.4-203 16,9-203
30 4.24 17,0-19,7 17,1-20.1 163-203 16,9-20.2 173-20.0
40 4.75 17,0-19.0 17.1-19,4 16.6-19,4 17.2-19,5 17,7-193
50 5.26 17.0-183 17.1-19X1 16.7-18,6 17,4-19.0 18,0-18.8
Механические свойства КМ сплав алюминий-сталь
(сетка типа “ластик 1+1” Кс-2,8)
«„мп. а . МПа
- == Г”
Ллюмвммй АД1 - сталь I2X18H10T
10 в so 12S
и 2200 38Я 18 107 90.S 71 ios
Сплав АМгб - сталь 12XI8HI0T
10 5 2S5 220 SS8g§ «583
Удельная прочность силам ЖС6К при 1100’ н 1200’С равна
3,9 и 1,2 МПа, в то время как удельная прочность этого сплава,
армированного волокнами вольфрама, при II00’. 1200* и 1300'С
соответственно равна 4,3; 3,1; 2,3 км. Длительная прочность за
100 ч. испытания при 1100*С О1М составляет 370 МПа.
Основной характеристикой жаропрочных композиционных
материалов является способность длительное время <100 ч,
1000 ч и бсиее) сопротивляться воздействию постоянно дей-
ствующих нагрузок при высоких температурах.
Как правило для этих целей используются сложнолегирован-
Армирование этих сплавов позволяет повысить жаропрочность
в 3-4 раза. Основным армирующим средством для жаропрочных
сплавов служит вольфрамовая и молибденовая проволоха. Однако
введение больших количеств вольфрамовой проволоки (-50%)
увеличивает линейную плотность до 13-14 г/см’. Поэтому в
последние годы уделяется большое внимание разработке специ-
альных вольфрамовых сплавов (W-Re-Hf-C). проволока из которых
обладает уникальной жаропрочностью а 1440 МПа за 100 ч при
повышения жаропрочности в 2-3 раза введением всего 20-25%
проволоки при незначительном повышении удельной массы КМ.
Разработана молибденовая проволока, имеющая почти вдвое
меньшую линейную плотность по сравнению с никелиевой, с
уровнем жаропрочности до 400 МПа за 100 ч при 1100'С для
армирования КМ.
Более высокие значения удельной прочности и жаропрочности
армированных композиций могут быть достигнуты при использо-
вании в качестве армирующих элементов волокон жаропрочного
молибденовогосплава, а также волокон и нитевидных кристаллов
Создание композиционных материалов нового класса стало
возможным благодаря разработке и применению высокопрочных
и высокомодульных борных и углеродных волокон, соединений
ковалентного типа в виде нитевидных кристаллов и волокон
карбидов, нитридов и других соединений, а также армирующих
материалов на основе металлов, сталей и сплавов, обладающих
высокой прочностью и высоким модулем упругости. Промышлен-
ностью выпускаются волокна борные, углеродные, карбидные,
кремневые, стекловолокна. На их основе изготавливаются КМ,
Таблица 7.25
Прочность КМ никель-вольфрам при повышенных
темепратурах
Таблица 7.26
Механические свойства КМ на никелиевой основе при
комнатной температуре
волокон 100-150 мкм.
Промышленностью выпускаются углеродистые волокна в виде
крученого или некрученого жгута с диаметром отдельных волокон
-7 мкм и числом волокон в жгуте от 1000 до 160000.
Основным методом получения нитевидных кристаллов кар-
бида и нитрида кремния, окиси и нитрида алюминия и других
использованием химических транспортных реакций, реакций
пиролиза, восстановления летучих соединений и др. Промыш-
ленное производство нитевидных кристаллов указанным методом
стало возможным после детального исследования Вагнером,
"пар-жидкость-твердая фаза" (ПЖТ).
Для получения нитевидных кристаллов в производственных
условиях используются периодические, полунепрерывные и непре-
рывные процессы. В первых двух процессах рост кристаллов
происходит на массивных стационарных или движущихся под-
ложках, а в непрерывном процессе роль подложки играют
взвешенные в объеме газового потока микроскопические центры
кристаллизации.
В процессе не.
ергируются
в жидких растворах, декантируются от порошка, при этом
количество примесей уменьшается, однако длина кристаллов при
переработке также уменьшается. Нитевидные кристаллы пере-
рабатываются о полуфабрикаты в виде бумаги, лент н др.
Ориентированные полуфабрикаты могут быть получены при
использовании метода ориентации в электростатическом, маг-
нитном поле с предварительным нанесением покрытий на
кристаллы методом экструзии через фильеру в легколетучей
матрице и с последующим ее удалением при нагреве.
молибдена, стали, титана и др. получают различными метода-
ми. Наиболее распространенными из них являются волочение.
т.е. деформирование металла протягиванием катаных или прес-
сованных заготовок через фильеру меньшего сечения. Известны
и другие способы получения проволоки - гидроэкструзией.
дением из газовой фазы, описанные в специальной литературе.
Применяются вольфрамовые сплавы W-HACu для получения
волокон (проволоки) для армирования никелевых матриц. Уп-
рочняющей фазой в волокнах из вольфрамового сплава является
карбид гафния. Подобное упрочнение дисперсными частицами
Для армирования высокожаропрочных композиционных мате-
риалов используют проволоку из вольфрама и молибдена, которые
сохраняют в широком температурном интервале высокую жест-
Для получения композиционных материалов» армированных
волокон в тигель с расплавленным метал
i дискретных
печи, создающий его интенсивное вращение (патент США
№ 3753694, 1973 г.). При этом волокна вводятся в образующуюся
при вращении в расплаве воронку. В процессе вращения волокна
распределаются во всей .
удерживаются во взвешенном состоянии внутри массы жидкого
металла, а затем быстро охлаждают полученный композиционный
материал.
Аналогичные материалы могут быть получены с применением
ультразвука. В этом слу
последовательной ультраз!
ке вначале во внутрен-
ней полости трубчатого излучателя ультразвука, служащего
также для ультразвуковой обработки расплава, а затем непос-
редственно в объеме расплава. Применение ультразвука улучшает
смачиваемость волокон расплавом и способствует равномерному
распределению дискретных волокон в матрице.
Получить материал с ориентированными определенным обра-
зом дискретными волокнами позволяет применение электромаг-
нитного силового пол
полем на дискретные
вводимые в <
металла, можно получить пруток с однонаправленной структурой
упрочнителя.
Прутки из композиционного материала магний-борное волок-
но диаметром 6,35 мм и длиной 102 мм изготовляли пропиткой
окиси алюминия.
Методом iienpi
магний-бор.
ропитхи пучка волокон расплавлен-
прутки композиционного материала
Метод пропитки в промышленном масштабе применяют для
производства боралюминиевой ленты.
Метод пропитки углеродных волокон окунанием их в рас-
плавленный алюминий используют для получения заготовок,
подвергающихся последующему горячему прессованию.
Разработан метод получения пропиткой композиционного
материала на основе алюминия, упрочненного волокном из карбида
кремния, также КМ AI-B.
KM Al-SiC используется реже, чем КМ Al-Вя алюмшшй-бор-
относителыю меньшей прочности и большей стоимости. Однако
в перспективе с разг
улогии получе-
ния волокон карбида кремния большей прочности (до 4000 МПа)
волокон с углеродным керном и волокон без керна, волокон на
жесткости они смогут конкурировать с борными волокнами в
качестве армнровки для его сплавов.
В твердом состоянии алюминий с карбидом кремния не
взаимодействует.
Технология получения. Для изготовления КМ AI-S1C применя-
ются те же технологические методы, которые используются для
производства КМ Al-В и алюмипий-борсик. Вследствие высокой
термостойкости волокон карбида кремния получать КМ Al-SiC
можно при более высоких температурах и больших выдержках.
уступает, как правило, КМ АРВ из-за более низкой прочности
волокон карбида кремния. Так, предел прочности КМ Al-SiCnpn
270, 610 и 950 МПа.
Применяются также КМ алюминия с оксидом кремния.
В твердом состоянии алюминий с оксидом кремния не
Технология получения. Основными методами получения КМ
Al-SiOj являются горячее прессование, пропитка и протягивание
ванием. Горячее прессование осуществляется при температуре
350-520*С и давлении 5-20 МПа с выдержкой 45-90 мин,
пропитка при температуре 700-720’С в течение 30-60 с.
Свойства. КМ AI-S1O, имеет высокую прочность мало изме-
няющуюся при температурах 200-300 "С. Модуль упругости КМ
близок по величине к модулю упругости алюминиевых сплавов,
однако он практически не снижается с ростом температуры и
поэтому КМ данного типа целесообразно применять при повы-
шенных температурах. Свойства A1-S1O, приведены в табл. 7.27.
Таблица 7.27
Свойства КМ AI-SiOr полученного горячим прессованием
f.C «.МПа о. МПа с.с о. МПа «..мп.
20 770-840 127 300 730
100 820 1 1 127 400 470 98
200 780 1 127 500 390 98
но»
Метод пропитки применяют для получения композиционного
материала с внешним армированием, предназначенного для
изделий, работающих в условиях изнашивания. Такой износо-
стойкий материал получен методомзаливкиалюминиевогосплава
может служить процесс получения листов стеклотекстолита.
Технологический процесс состоит из последовательно прово-
димых следующих операций.
1. Пропитка связующим и сушка стеклоткани.
2. Разрезка рулона пропитанной ткани на мерные заготовки.
3. Сборка пакетов (число слоев берется в зависимости от
требуемой толщины листа).
4. Прессование при повышенной температуре.
5. Обрезка кромок.
Пропитка ткани производится на специальных пропиточных
машинах. Ткань поступает в ванну с раствором смолы в
растворителе, пропитывается, затем сушится в шахтной печи с
целью удаления растворителя.
После разрезки и сборки осуществляется их горячее прессо-
вание (давление примерно 600 МПа, температура 120-160'С).
Анизотропность свойств стеклотекстолита регулируется
поскольку у всех тканей прочность вдоль основы больше
прочности вдоль утка.
удельная прочность, химическая стойкость, хорошие технологи-
ческие свойства. Недостатком является анизотропия свойств.
Вакуум во многих случаях является более предпочтительным,
т.к. способствует активированию поверхности пропитываемых
волокон и улучшению условий смачиваемости.
Методом пропитки в вакууме получают композиционные
волокнами и нитевидными кристаллами; на основе нихелисвых
сплавов, армированные вольфрамовой проволокой и др.
Метод вакуумной пропитки применяли доя получения компо-
зиционного материа.ы алюминий-углеродное волокна На жгуты
из углеродного волокна наносили покрытие из кремния, карбида
кремния или никеля, улучшающее смачиваемость и уменьшающее
взаимодействие волокна с расплавом. Жгуты с покрытыми
волокнами в вакууме загружали в расплавленный алюминий.
Полученный композиционный материал, содержащий 30 об. %
углеродного волокна, имел предел прочности 750 МПа (патент
Японии Ne 7300106).
Композиционный материал на основе магния, упрочненного
20 об. % углеродных волокон, получили методом вакуумной
пропитки пучка волоков с никелевым покрытием толщиной
0,05-0,25 мкм.
Метод вакуумной пропитки с последующим быстрым охлаж-
bob. упрочненных
ЖС6К,
териал из жаропрочного
новым волокном марок ВРИ и ВА.
К одному на комбинированных методов изготовления метал-
лических композиционных материалов относится вакуумно-ком-
прессионная пропитка, сочетающая элементы вакуумной пропит -
Методы пропитки под давлением с предварительным вакуу-
мированием и без него применены для получения композиционных
рованных волокнами углерода, окиси алюминия, нитевидными
кристаллами карбида кремния (патент США, № 3691623).
Метод вакууы-компрессиошюй пропитки применяется для
получения композиционных материалов на основе алюминия,
упронненного нитевидными кристаллами сапфира.
той 99,99, упрочненного проволокой из коррозионностойкой стали
диаметром 0,15 мм. имеющей предел прочности 2970 МПа,
изготовляли методом диффузионной сварки в вакууме (при
температуре 500-510 *С с выдержкой 4 ч.).
Одним из основных технологических путей получения мате-
риалов алюмнний-беррнлиевая проволока в настоящее время
рекомендуется диффузионная сварка под давлением. При этом я
качестве заготовок композиционного материала применяют па-
кеты, состоящие из чередующихся слоев бериллиевой проволоки,
полученных методом иамотки, и слоев алюминиевой фолыи;
сенного методе»
Композиционный материал иа
диффузионной сварки под давлением в вакууме при температуре
500'С, давлении 700 МПа в течение 1ч, предел прочности такого
материала в поперечном направлении был равен 290 МПа.
Зависимость прочности этого КМ от режимов изготовления
указана в табл. 7.28.
Композиционные I
малы на основе титанового сплава
(6% Т1 и 4% А1) получили методом диффузионной сварки.
Таблица 7.28
Зависимость прочности КМ сплав алюминий-борсик от
режимов изготовления
Композиционные материалы с матрицей из титанового
сплава 4911 (6% Т1, 4% AI) и алюминиевого сплава 6061 и
упрочнителсм из волокна борсик получают методом диффузион-
ной сварки в атмосфере аргона.
ттернал с наиболее высокими пределами
и бериллиевой проволоки, чередующихся между собой, и прес-
сования таких материалов, помещенных между титановой фоль-
гой.
Композиционный материал никель-углеродное волокно получа-
ли горячим прессованием прядей графитового волокна, уложенных
в одном направлении, на которые предварительно наносилось
для предотвращения взаимодействий волокна с никелевой
матрицей на углеродное волокно нужно наносить карбидны-
покрытия (патент США № 3796587).
Получены методом диффузионной сварки под давлением
композиционные материалы на основе никеля, упрочненные
волокнами окиси алюминия, вольфрама (патент Франции
№2109009), нитевидными кристаллами карбида и нитрида
кремния Рекомендуется процесс изготовления полуфабриката в
виде ленты из композиционного материала на основе алюминия,
упрочненного борным волокном, (патент Франции №21333117).
Предварительную заготовку, состоящую из чередующихся слоев
алюминиевой фольги и одно;
деленным шагом борного волокна, подвергнуть прокатке при
температуре 600-650'С. Прокатку вести с небольшими степенями
деформации за несколько проходов.
Полученный в виде ленты композиционный материал, содер-
жащий около 50 об.% борного волокна, имеет модуль упругости
25000 102 ГПа.
Процесс изготовления композиционного материала алюми-
ний-стальная проволока заключался в холодной прокатке со
степенью деформации 5% заготовки из алюминия и стальной
проволоки диаметром 0.1 мм (Патент США, № 3427185).
Метод прокатки применен для изготовления композиционно-
го материала алюминий-углеродное волокно (патент США
№3571901).
Горячая прокатка заготовки такого материала, состоящего из
алюминиевой матрицы и распределенного в вей углеродного
волокна с покрытием из серебра, производилась при температуре
солидуса алюминиевой матрицы.
Горячим прессованием смеси, состоящей из порошка металл»
и нитевидных кристаллов, и последующей горячей прокаткой
прессованных брикетов получали композиционные материалы на
основе меди, упрочненной нитевидными кристаллами карбида
кремния и окиси алюминия.
Методом прессования изготовляли композиционный материал
на основе алюминия, упрочненного нитевидными кристаллами
карбида кремния.
Мето,
енен для изготовления предварнтсль*
иного материала алюминиевый сплав
состава <0,5% Si; 0.7% Fe; 12-2.6% Си; 5,1-6.1% Zn; 03% Me;
23-2.9% Mg; 0.2% Ti; 0.18-0.4 % Cr) - нитевидные кристаллы
карбида кремния.
Композиционный материал на основе титановых сп
упрочненных бериллием, получали методом горячего прссо
смеси, состоящей из 1ранул титановых сплавов Ti - 6%, Al - 4%
V,TI - 6% Al - 6% V - 2% и гранул бериллия диаметром
0,076-0,25 мм, и последующей экструзии.
Для получения волокнистых композиционных материалов
методы порошковой металлургии стали использовать относитель-
но недавно, причем почти все эти методы - прессование с
последующим спеканием, горячее прессование, экструзия, динами-
ческое уплотнение и др. - оказались пригодными для указанных
композиционных материалов - матрицы и упрочнителя.
В качестве исходных материалов используют металлические
или металлокристаллические порошки, образующие матрицу, и
армирующие волокна в виде непрерывных или дискретных
волокон, либо в виде металлических сеток.
Метод прессования с последующим спеканием используется
для получения материалов, армированных как дискретными, так
и непрерывными волокнами.
Методом горячего прессования получали твердосплавленный
материал ВК6 (94% WC, 6% Со), армированный волокнами
Армирование вольфрамовыми волокнами сплава ВК6 позво-
ляло повысить ударную вязкость при комнатной и повышенной
температурах в 1,5-2,0 раза.
Квернес и Кофштад применяли метод прессования, и спекания
для получения композиционного материала на основе никеля,
армированного дискретными вольфрамовыми волокнами.
Свинделс и Ларе использовали метод порошковой металлур-
гии для получения композиционного материала на основе
алюминиевого сплава, армированного одновременно двумя упроч-
нителями - волокном типа борсик и нитевидными кристаллами
карбида кремния.
НИИТавтопромом разработан технологический процесс изго-
товления ленточных металлопластмассовых материалов для
подшипников, работающих в условиях сухого трения и ограни-
ченного смазывания. Мсталлопластмассовые материалы представ-
ляют собой трехслойную композицию из стали, гранулированной
бронзы н различных видов пластмасс.
Коэффициент трения материала 0,04-0,15 при работе без
смазочного материала н 0,06-0,08 при работе с консистентным
смазочным материалом.
точек смазывания автомобиля, экономить цветной металл и
НИИТавтопром совместно с автомобильным заводом и Кине-
эовано массовое производство антифрикционных металлопласт-
массовых ленточных материалов и подшипниковых втулок из
них. На заводе “Автоагрегат" введена в эксплуатацию первая
очередь оборудования цеха по производству металло-
пластмассовой ленты и монтируется модернизированное обору-
дование для пуска второй очереди цеха.
Цех по производству металлопластмассовой ленты и изделий
Новые материалы внедрены на Камском, Тверском, Запорож-
ском автомобильных и других заводах отрасли.
В качестве антифрикционных самосмазывающнхся материалов
(АСМ) применяют композиции с комплексными наполнителями,
содержащие вместе с антифрикционными добавками жесткие,
прочные наполнители - волокнистые (стеклянные, углеродные,
металлические, полимерные) или дисперсионные — металличе-
ские, минеральные или органические порошки; комбинировшшые
материалы типа металлофторпластовой ленты, металлопла-
стов и тканевых антифрикционных материалов, нанесенных на
прочную основу - стальную ленту или массивный образец.
антифрикционного материала (ПТФЭ) и прочной тепло
основы, обладающей высокой несущей способностью.
наполненный ПТФЭ благодаря
характеристикам по сравнению с
массами. В качестве наполнителей используют стекловолокно,
MoSr кокс, абсетное волокно, графит, слюду, никель и бронзу.
В табл. 7.29 приведены допустимые значения при различных
него ПТФЭ разных составов, а так:
по отношению к чистому ПТФЭ.
Таблнца 7.29
Допустимые значения pv и относительная износотойкосгь
наполненного ПТФЭ различного состава
К». MIU (pvlMIU. Опвхитеи-
о.м 04 SA м 100 ч) сжттАижть
Чистый ПТФЭ 0.045 0,065 0,09 0,075-0.1 1
Ф4С15 (15%^ 0.35 045 0.55 0,13 250
Ф4С15М5 (15% 0.4 0.5 0.62 0.15 275
MoS,)
Ф4К20 (20% кокса) 0.5 0.7 1.1 0.325 625
Ф4К15М5 (15% кокса, 5% Mos,) 0.6 0.7 1.1 0.5 1000
Ф4М15 <15% MoSp 05 0.4 0.185 360
Введение наполнителей существенно повышает допустимое
5 м/с. Наилучшие результаты получены для ПТФЭ с комплек-
сным наполнителем (15% кокса и 5% MoS2).
Коэффициенты трения наполненного ПТФЭ с различными
наполнителями (стекловолокно, порошок бронзы, частицы дву-
скольжения 0,1-2,5 м/с и нагрузке 10-50 Н находятся в пределах
от 0,2 до 0,3. Наибольшую относительную износостойкость имеет
ПТФЭ, содержащий бронзу или стекловолокно.
Свойства неорганических армирующих волокон н конструк-
ционных КМ представлены в табл. 7.30 и 7.31.
Таблица 7.30
Свойства неорганических армирующих волокон
Углерсижие Карби ф(в<жм СтКОЯН
8а,еии
Даь-етр. 100*200 5.5*11.5 5.5*1 (Л 100-140 0.1 10 150.200
Проч- 42Л 30Д-38Д) ».о 80-120 35.0 42.0 «Л
Угафцхше Ствдмиа
B-coio-o- Baton. Нлте-u.
1^1 ШО-400 2S0 600-600 400-450 «90 95-110 200
2.60 1,70 1.90 3,30- 3.45 3.20 2.50 2.60 М.90
Таблнца 7.31
Некоторые свойства конструкционных КМ
Композиции на основе ПТФЭ со стекловолокном, полиамидом
космических аппаратов.
Наполненный ПТФЭ применяют в химически агрессивных
средах в широком диапазоне рабочих температур от криогенных
Композиции наполненного ПТФЭ (приведены в таблице выше)
применяют дня изготовления уплотнительных колец газовых
сивных сред и малоаязких жидкостей, не обладающих смазоч-
ными свойствами; подшипников, работающих во влажных газовых
средах, в вакууме, в сухом воздухе, в сухих агрессивных газах;
деталей узлов трения, работающих при повышенных температу-
рах. АСП типа АМАН - радиационно-стойкие, химически стойкие
к маслам и растворителям - применяются при температурах от
С целью расширения температурного диапазона применения
АСП испш
ратурой ра
с высокой темпе-
терморсактивные смолы (фенопласты, аминопласты, эпоксидные
смолы, ненасыщенные полиэфиры, полиуретаны), позволяющие
существенно повысить предельную рабочую температуру приме-
Графитопласт АТМ-2 на основе полиамида, уступая угле-
графитовым материалам в теплопроводности, имеет в 10 раз
большую ударную стойкость. Капропласт КГП является наибо-
литом, полиамидом, особенно при повышенных нагрузках. При
трения по стали со смазыванием водой (табл. 7.32) графитоп-
ласты АМС-1, АМС-3 и АФ-ЗТ имеют высокие антифрикциои-
нению с графитом АГ-1500-СЙ5, пропитанным свинцом и оловом.
Триботехнические характеристики графитопластов при тре-
нии со смазыванием водой по стали (р=2.0 МПа; v»l м/с;
испытания на машине трения МИ-1м) приведены в табл. 7.32.
Таблица 7.32
ч—.. »• W*
АФ-ЗТ 0,037 3.1
АМС-1 0,1 3.4
АМС-3 0,065 2.5
АГ-15ОО-СО5 0,063 3.6
П реимуществом разных марок АСП на основе СФД (сопо-
лимеры формальдегида, полиамида и полиимидов) является
высокая хладо- и теплостойкость. Триботехнические характери-
стики АСП зависят от температуры окружающей среды и от
Широкое применение получают в настоящее время комбини-
рованные самосмазывающиеся материалы: металлофторопла-
пористым слоем антифрикционной бронзы, пропитанной ПТФЭ.
Конструкция МФЛ удачно сочетает высокую несущую способ-
ласта, наполненного твердым смазочным материалом (25% Мо$2).
Из МФЛ изготавливают свертные втулки с внутренним рабочим
разъемных подшипников и шарнирные сферические подшипники.
Подшипники скольжения из МФЛ нашли применение в системах
управления самолетами, в текстильных машинах, автомобилях и
сельскохозяйственных машинах.
Фирмой “Пампус” (Германия) разработан металлопласт -
бронзовая сетка (или вянилацетатная ткань), пропитанная
ПТФЭ (60%, массовые доли). Металлопласт обладает высоким
пределом прочности, удовлетворительной смазываемостью, низ-
ким температурным коэффициентом линейного расширения,
малой хладотекучестью, хорошей теплопроводностью, тсхноло-
п> -ностью изготовления самосмазывающихся опор различной
пиры и подшипники скольж
кн транспор-
теров и т.д. Максимальное давление, которое выдерживает
металлопласт, составляет 400 МПа.
волокон (например, из фторопластовых и полиимидных нитей)
получают путем пропитки их клеевым связующим (эпоксидные,
фенольные смолы, полиамиды и т.д.) с наполнителями. Ленту
приклеивают непосредственно на поверхность трения.
Рациональное использование рассмотренных выше основных
принципов упрочнения металлов и сплавов путем армирования
ческих приемов, позволяет получать слоистые. волокнистые и
уникальными служебными и технологичс
струк
при одновременном снижении материало-
Развитие техники требует создания материалов, обладающих
коплексом новых свойств, таких как высокая прочность, корро-
зионная стойкость, электро- и теплопроводность, жаропрочность,
могут обеспечить необходимое сочетание свойств, поэтому важное
место средн новых материалов принадлежит позиционным.
Решающую роль в развитии производства многослойных
конструкций играют их преимущества перед однослойными, в
разрушениям.
квазихрупкнм
СОДЕРЖАНИЕ
Технология упрочнения
(технические методы упрочнения)
Том 1
Предисловие........................................
Введение ..........................................
1. Технология газотермического напыления
1.1. Общие положения
2. Классификация методов газотермического напыления
3. Напыляемый материал газотсрмичесхих покрытий .
4. Газотсрмическос диспергирование напыляемого мате-
Термичесхрс диспергирование ...................
5. Предварительная обработка напыляемой поверхности
Сущность процесса предварительной обработки осно-
Обезжиривание ..............................
Обезжиривание в щелочных растворах (омыление)
Синтетические моющие средства (СМС).........
Механическая предварительная обработка
Рекомендации производству..............
14
17
41
42
58
60
60
63
69
71
78
1.2. Газопламенное напыление 87
1. Энергия газопламенного напыления............... 88
2. Особенности подачи напыляемого материала в зону
термического диспергирования в зависимости от его
компактного состояния .............................. 92
Газопламенная установка УПН-7 ................
Газопламенная установка УГПЛ-П ...............
Установка УПН-8 ..............................
Газопламенная установка УГПТ..................
Комплект аппаратуры УГПТ; УГПЛ; УПТР-85; Л-
5405; МГИ-4Л; МГИ-4П ..........................
3. Модификация технологии газопламенного напыления
Дополнительное технологическое оснащение ....
4. Технологический процесс с использованием устройства
"Даймонд-джет" .....................................
Двуххоординатная установка позиционирования с
ЧПУ-регулировкой................................
1. Обору
распылителях типа ЭМ-
14М...........................................
Стационарный электродуговой аппарат газотермиче-
ского напыления ЭМ-15 ...........................
2. Модификации технологии электродугового напыления
1.4. Плазменное напыление
1. Параметры плазменное
3. Плазменное газотермическос оборудование (плазмат-
4. Эксплуатационные особенности плазменного газотер-
мического оборудования..............................
Плазменная изотермическая установка ОБ........
еская установка УН-108 . .
1.5. Высокочастотное плазменное напыление (ВЧ-плазмен-
ное напыление)
1. Технологические особенности ВЧ-плазмешюго вапы-
3. Применение
“Метко"
1.6. Особенности плазменных газотермическнх покрытий
1.7. Рекомендации по организации участка плазменного
напыления
1. Производственная установка VPS с двумя шлюзами
(фирмы “Метко". США)...............................
97
98
99
99
103
104
106
116
118
124
127
129
129
132
140
145
147
157
164
166
168
180
180
П § ssi
Достоинства конструкции системы вакуумно-плазмен-
ного процесса напыления........................
:скнм испарением
2.4. Метод активированного реакционного испарения
2.5. Метол ионного осаждения
16. Электронно-лучевое плазменное напыление
Управляемая микропроцессором установка плазмен-
ного распыления EGV 88........................
Система управления ЧПУ для всех осей координат
Z Автоматизированное управление процессом посредст-
вом программируемого логического контроллера . .
Вакуумная система
Система откачки .
Модельная структур
Непрерывная обработка
1.8. Дальнейшие пути автоматизации процесса плазменного
напыления
Применение промышленных роботов на участке плаз-
менного напыления ............................
5-коордипатная поворотная платформа типа JR 500-5
1.9. Детонационное напыление
I. Параметры детонационного напыления
2. Порошки для детонационного напыления
3. Области применения детонационных покрытий . .
1.10. Новые комплексные процессы ГТН
и способы очи-
стаи поверхности покрытий
2.1. Разновидности методов и i
несения покрытий
I. Выбор оптимального способа очистки поверхности .
Преимущества ультразвуковой очистки
Ионная очистка
Метод очистки а
ё g ёё ё Шё;
i с ионной бомбарди-
Наплавка трехфазиой дугой
I. Наплавка пропиткой композиционных сплавов
ровкой (Способ КИБ)
2.8. Ионно-лучевое модифицирование поверхности
1. Оборудование .......................
2. Схема (разновидности) процессов.....
3. Осаждение с одновременной бомбардировкой пучком
2.9. Модифицирование покрытий посредством ионно-луче-
вой обработки (или) после процесса осаждения
Нанесение покрытий с помощью ИЛО деталей и
инструмента....................................
2.10. Методы нанесения покрытий химическим осаждением
из газовой фазы в разреженной атмосфере
111. Примеры применения методов нанесения покрытий
Нанесение оксидных покрытий .
Напыление нитридных покрытий
3. Улучшение эксллуатационны
инструмента метолом наплавки
3.1. Принцип и характеристики процессов наплавки.
Сущность процесса и основные методы наплавки
3.2. Основные методы наплавки
I. Ручная электродуговая наплавка......
1 Скоростные способы ручной электродуговой наплавки
Наплавка пучком электродов
3. Механизированная напл
4. Наплавка в среде защн
5. Вибродуговая наплавка
6. Электрошлаковая наплавка
Модификация электрошлаковой наплавки ленточным
электродом .....................................
Рекомендации производству......................
7. Электродуговая наплавка ленточным электродом . .
8. Электродуговая наплавка с
sSgsasisssi я я s а й § ййа
2. Наплавка взрывом ........
3. Вакуумно-дуговая шшлавка .
4. Наплавка ТВЧ (индукционнш
5. Плазменная наплавка . . . .
6. Электроннолучевая наплавка
7. Лазерные наплавки........
480
487
турным синтезом (СВС-наплавха) ................
9. Наплавка пучком релятивистских электронов ....
10. Электроискровое легирование ..................
II. Магнитно-ультразвуковая наплавка износостойких
3.4. Основные наплавочные материалы
1. Элементы теории легирования износостойких напла-
вочных сплавов....................................
490
493
494
505
507
|ых износостойких напла-
507
3. Стержневые электроды........................
4. Электродная проволока ......................
5. Порошковая проволока........................
6. Наплавочные ленты ..........................
7. Наплавочные сплавы специального назначения . .
9. Самофлюсующисся наплавочные сплавы........
10. Флюсы....................................
11. Анализ составов и свойств наплавленного металла,
промышленных наплавочных материалов и рекомеи-
520
521
529
535
538
539
556
3.5. Наплавка деталей машин
1. Наплавка деталей строительных и дорожных машин
2. Наплавка деталей сельскохозяйственных н других
3. Наплавка деталей литейных машин................
4. Наплавка деталей металлургического и коксо-хими-
559
561
561
574
5. Наплавка чугунных деталей ....................
6. Наплавка деталей горных машин ................
7. Новые сплавы для бурового оборудования........
8. Наплавка нзношс1шых деталей атомных тепловых
электростанций....................................
9. Наплавка деталей оборудования для производства
целлюлозы, бумаги и картона.......................
10. Наплавка режущего инструмента................
II. Наплавка штампового инструмента .............
578
591
591
592
595
600
602
наплавка литым твердым сплавом ................
4. Улучшение эксплуатационных свойств защитных покры-
тий, полученных эмалированием, лакокрасочными покрыти-
ями и электролитическим, гальваническим, химическим ме-
4.1. Эмалирование
4.2. Лакокрасочные покрытия
4.3. Гальванические и химические покрытия
1. Гальванические покрытия
Хромирование
Железнспнс
Оксидированис
Электроосаждение олова и свинца с другими элемен-
Покрытия сплавами на основе серебра и пути нх
Покрытия редкими металлами в рассеянными элемсн-
Фосфатирование
Химическое никелирование
Нихсль-борирование . . .
5. Композиционные и биметаллические материалы
5.1. Принципы создания и классификация
5.2. Волокнистые материалы
Основные способы получения нитевидных кристаллов
5.3. КМ слоистые
5.4. КМ слоисто-ы
5.6. Прочность композиционных материалов
5.7. Изотовление композиционных материалов плакирова-
нием и армированием
имеющиеся в СНГ и других странах процессы упрочнения.
значительно более экономные, надежные и быстроходные машины,
позволит промышленности получать значительный эффект за
счет применения новых более экономичных материалов."
ЬШиШОСТРОВНИЕ
Научное издание
ПОЛЯК Михаил Семенович
ТЕХНОЛОГИЯ УПРОЧНЕНИЯ
Научное редактирование книги провели ученые
Центрального Российского Научно-исследовательского
тута Авиационной технологов
док. тех. наук Подколзин В.Г.,
док. тех. наук Смирнов Л.М.,
док. тех. наук Панов Б.И.,
док. тех. наук Пушков В.П.
Н/К
Рецензирование провели:
Межотраслевой Координационный Совет по материалам
Бюро Совета Министров по машиностроению,
Институт Машиноведения Российской Академии наук,
Вице-Президент Российской Академии наук
садемик Академии Космонавтики, проф.,
док. тех. наук Лютцау В.Г.,
проф., док. тех. наук Дроздов Ю.Н.,
проф., док. тех. наук Белосевич В.К.,
проф., док. тех. иаук Деривас,
проф., док. тех. наук Гордиенко Л.К.,
проф., док. тех. наук Козорезов К.И.,
проф., док. тех. наук Алымов В.Г.,
проф., док. тех. наук \ Колтунов И.Б~\
проф., док. тех. наук Гринберг Н.А.,
проф., дох. тех. наук Салибеков Л.К.,
доцент, канд. тех. наук Пешков П.Ю.,
ркпкт, кацд. тех. наук Кобелев А. Г.,
доцент, канд. тех. наук Архипов В.Е.,
доцент, канд. тех. наук Имшенник К.П.,
доцент, канд. тех. наук Гусев О.В.,
доцент, канд. тех. наук Рябышев А.М.,
доцент, канд. тех. наук Федорова Н.М.,
доцент, канд. тех. наук Вахалин В.А.,
доцент, кацд. тех. на ух Зубков В. И.
ПОЛЯК Михаил Ссмсноаич
ТЕХНОЛОГИЯ УПРОЧНЕНИЯ
Научное реляктиоованне книга провели ученые
Типография АО «Внсшторлгздат»
Лицензия ЛР Ы» 062376 от 0S.03.93
ДЛЯ ЗАМЕТОК