В этом разделе приведены сведения о технологии и практике применения процессов наплавки и напыления. Изложены методы нанесения покрытий наплавкой и напылением, обеспечивающие повышение износостойкости, коррозионной и эрозионной стойкости рабочих поверхностей деталей. Приведены сведения о наплавляемых и напыляемых материалах, указаны возможные области использования описываемых методов, а также преимущества и недостатки последних, подробно рассмотрены вопросы подготовки поверхности деталей перед нанесением покрытий.
Информация будет полезна для инженерно-технических работников сварочного производства, специализирующихся в области наплавки и напыления материалов.
В процессе эксплуатации машин и механизмов их детали зачастую работают в жестких условиях контактирования с высокотемпературными газами, различными агрессивными средами и абразивными веществами, вызывающими интенсивную коррозию или износ поверхности. По мере повышения скорости действия машин и механизмов, увеличения их размеров и производительности условия работы поверхности деталей становятся все более жесткими. В связи с этим возникает необходимость применения специальных мер, обеспечивающих радикальное повышение жаропрочности, коррозионной стойкости, износостойкости и других важных свойств поверхности материалов. Эта задача может быть успешно решена применением нaплавки и нaпыления кaк способов поверхностного упрочнения материалов.
Современные достижения в разработке и совершенствовании оборудования позволили значительно улучшить эксплуатационные свойства наносимых покрытий. Это особенно важно в условиях экономии сырья и повышения эффективности использования энергии.
Способы поверхностной обработки машин и механизмов
К рабочим поверхностям деталей машин в зависимости от условий их эксплуатации предъявляют определенные требования по различным свойствам: износостойкости, жаростойкости, коррозионной стойкости и др. Прочность деталей достигается путем использования соответствующих материалов с необходимыми исходными свойствами. Иными словами, при проектировании машин необходимо исходить из прочности современных материалов.
Важнейшими факторами, определяющими эксплуатационную надежность и срок службы деталей и конструкционных элементов машин, являются также свойства материалов поверхностей этих деталей и элементов. Например, наземные здания и сооружения подвергаются разрушению под воздействием дождя, ветра и солнечных лучей, суда - от постоянного контакта с морской водой, химическое оборудование интенсивно изнашивается в результате агрессивного действия различных химикатов, жидкостей и газов, строительные машины изнашиваются от абразивного действия грунта и песка, изнашивание деталей машин общего назначения происходит в результате взаимного трения их рабочих поверхностей.
Увеличение размеров оборудования, повышение его быстродействия и производительности сопровождаются ужесточением условий работы его узлов и механизмов. Увеличение срока службы деталей машин можно обеспечить путем образования на поверхности этих деталей и элементов слоев или покрытий, обладающих высоким уровнем требуемых свойств - коррозионной стойкости при высоких температурах, износостойкости, твердости, жаростойкости и др.
Такой путь представляет значительные резервы экономии сырьевых ресурсов. Применение технологии улучшения свойств поверхности материалов расширяет перспективу проектирования и производства различного оборудования с более высоким уровнем эксплуатационных показателей, что, в свою очередь, позволяет сократить потребление энергии и повысить производительность труда в различных отраслях промышленности. Существуют разнообразные способы поверхностной обработки.
Химические и электрохимические способы поверхностной обработки:
Электролитическое металлопокрытие
Осаждение металла с образованием покрытия на поверхности изделия при пропускании тока между анодом (пластиной из металла, наносимого на изделие) и катодом (обрабатываемым изделием)
Никелирование осуществляют для повышения коррозионной стойкости. Никелевое покрытие, обладающее твердостью HV 140-240, используют в декоративных целях или для реставрации изношенных деталей машин
Хромирование обеспечивает получение твердого или мягкого покрытия. Хромовое покрытие, обладающее высокой коррозионной стойкостью, используют для декоративных целей, а твердое (твердость HV 800-1000), с высокой износостойкостью - для повышения износостойкости деталей машин, реставрации изношенных деталей и поверхностного упрочнения штампов и пресс-форм для обработки металлов и пластмасс.
Химическое металлопокрытие
Образование покрытия на поверхности металлических изделий за счет осаждения ионов металла из водного раствора хлорида металла без применения электрического тока
Используют для покрытия латунью, кадмием, медью, золотом, никелем, оловом и другими металлами
Химическое покрытие
Образование фосфатного, оксалатного, оксидного или иного химического неметаллического покрытия на поверхности металлических изделий, погруженных в раствор требуемого состава и выдерживаемых в нем при температуре до 200°С.
Применяют при обработке изделий из алюминия, меди, магния, стали и других металлов для повышения коррозионной стойкости, в декоративных целях или как грунтовку перед окраской, в частности как способ повышения коррозионной стойкости высокопрочных болтов, автомобильных деталей и др.
Физические способы поверхностной обработки:
Горячее металлопокрытие погружением
Образование покрытия путем погружения металлического изделия в ванну расплавленного металла
Горячее алюмиинрование - погружение стальных изделий в ванну расплавленного алюминия с температурой не ниже 680°С, с образованием поверхностного слоя сплава железа с алюминием толщиной до 0,1 мм для повышения их стойкости к окислению и коррозионной стойкости при высоких температурах.
Горячее цинкование - погружение стальных изделий в ванну расплавленного цинка с температурой 450°С для образования металлопокрытия, состоящего из слоя чистого цинка и твердого слоя сплава железа с цинком.
Диффузионное насыщение
Диффузионное насыщение поверхностного слоя изделия металлом или сплавом при высокой температуре с использованием насыщающего состава, основным компонентом которого является металл, сплав или металлическое соединение.
Диффузионное насыщение алюминием осуществляют в смеси алюминиевого порошка с небольшим количеством хлористого аммония при температуре 850-1000°С. На поверхности изделия образуется слой сплава железа с алюминием, обладающий высокой стойкостью к окислению и коррозионной стойкостью при высокой температуре.
Диффузионное насыщение хромом осуществляют в смеси феррохрома, йодистого аммония и порошкового каолина при температуре нагрева 950-1100°С при обработке углеродистой стали, содержащей до 0,3% С, и 800-950°С - при обработке высокоуглеродистой стали. Первую из сталей обрабатывают для повышения коррозионной стойкости, вторую -для повышения твердости.
Сульфидирование
Образование сульфидного слоя на поверхности стальных изделий в результате диффузии свободной серы, образующейся при температуре обработки (до 600°С) за счет распада сульфуратора, состоящего из нейтральной соли, карбоната или другого неорганического вещества с добавлением сернистого соединения.
Сульфидный слой предотвращает заедание, повышает износостойкость.
Цементация
Диффузионное насыщение углеродом поверхности изделий из низкоуглеродистой или низколегированной стали при температуре 800-950°С. По виду карбюризатора цементация бывает газообразной (среда - оксид углерода, метан или иной восстановительный газ, содержащий углерод), твердой (среда - древесный уголь, углекислые натрий, кальций и барий или их смесь), жидкой (среда - соляная ванна на основе цианистого натрия).
Для упрочнения поверхностного слоя до твердости HV 700-850. Используют для обработки автомобильных и других деталей машин, инструментов.
Азотирование
Образование нитридного слоя на поверхности изделий из стали, содержащей алюминий, хром, молибден и другие легирующие элементы, при нагреве до 475-580°С в среде аммиака. Азотирование бывает жидким и газовым.
Для повышения износостойкости, коррозионной стойкости и усталостной прочности поверхностного слоя зубчатых колес и других деталей машин с твердостью НV 500-1200.
Нитроцементация
Одновременное насыщение поверхности изделий из углеродистой стали азотом и углеродом при нагреве до температуры 750-900°С в атмосфере, состоящей из газообразного карбюризатора с добавлением нескольких процентов аммиака, с последующей закалкой изделия от температуры обработки.
Для повышения износостойкости и коррозионной стойкости поверхности изделий.
Газопламенная закалка
Образование упрочненного слоя закалкой после нагрева поверхности стальных изделий пламенем горючей смеси (ацетилена, пропана или светильного газа с кислородом).
Для повышения износостойкости за счет повышения твердости.
Индукционная закалка
Упрочнение закалкой посредством нагрева поверхности стального изделия током высокой частоты (ТВЧ).
Для повышения износостойкости за счет повышения твердости.
Вакуумное осаждение
Нанесение слоя путем осаждения атомов пли молекул металла или соединения на поверхность изделия при их возгонке в условиях высокого вакуума (остаточное давление 13,3-1,3 мПа).
Для улучшения металлического блеска и повышения оптических свойств поверхности изделий
Эмалирование
Нанесение на поверхность металлических изделий стеклянной глазури и обжиг.
Для повышения коррозионной стойкости, жаропрочности, износостойкости, электроизоляционных свойств.
Электроискровое упрочнение
Образование упрочненного слоя за счет диффузионного переноса вещества электрода в поверхностный слой изделия в условиях высокотемпературного искрового разряда между изделием и электродом при передаче колебательных движений от магнитного вибратора на электрод, вибрация которого сопровождается периодическим размыканием цепи, соединяющей электрод с изделием с помощью конденсатора, подключенного к источнику тока через сопротивление.
Применяют как способ повышения износостойкости за счет поверхностного упрочнения. Используют для упрочнения штампов и пресс-форм.
Наплавка
Нанесение слоя расплавленного металла на оплавленную металлическую поверхность путем плавления присадочного материала теплотой кислородно-ацетиленового пламени, электрической или плазменной дуги и др.
Для восстановления изношенных деталей и создания на поверхности изделия слоя, обладающего повышенной износостойкостью, коррозионной стойкостью, жаропрочностью и другими свойствами.
Механические способы поверхностной обработки:
Плакирование
Изготовление листа из двух и большего числа металлических слоев, соединенных между собой способом прокатки, сварки взрывом или литьем.
В качестве плакирующего материала используют коррозионно-стойкую сталь, никель, монель-металл, медь, сплав «хастеллой», титан и другие металлы, обладающие высокой коррозионной стойкостью.
Дробеструйная обработка
Образование механически упрочненного слоя (наклеп) путем бомбардирования поверхности изделия металлической дробью
Для повышения усталостной прочности изделий с упрочнением поверхностного слоя на глубину 0,3-0,5 мм.
Напыление
Образование на поверхности изделия покрытия из нагретых до плавления или близкого к нему состояния частиц распыляемого материала с использованием теплоты сжигания горючей смеси или теплоты дугового разряда в газовых средах.
Для повышения износостойкости, коррозионной стойкости, жаропрочности или для восстановления изношенных деталей. В качестве напыляемого материала используют металлы, сплавы, соединения металлов и другие материалы.