Лекція 29. Вибір типу покрить і його складу

Покрить

Тема 4. Принцип вибору матеріалів для різних типів

29.1. Вплив умов роботи деталі на вибір покриття

Як було показано раніше, покриття розділені на такі групи: захисні, конструкційні, технологічні і декоративні Особливо велику групу складають захисні покриття. Їх підрозділяють на зносостійкі, корозійностійкі, жаростійкі, теплозахисні, електроізоляційні та ін.

При виборі зносостійких покрить необхідно враховувати характер взаємодії тертьових пар. В усіх сполученнях необхідно прагнути до вибору покриття з мінімальним коефіцієнтом тертя. При зношенні досить добре працюють покриття, що містять тверді частинки і пластичну складову. Покриття повинні мати високу адгезійну і когезійну міцність, у ряді випадків на рівні 100 - 250 МПа. Вимоги, щодо пористості покрить неоднозначні. Покриття, що працюють на стирання в умовах змащення (поршневі кільця, гільзи циліндрів та ін.), можуть мати значну пористість, що сягає 10-15 %.

Покриття на різальному інструменті доцільно напилювати з мінімальною пористостю.

Корозійно стійкі і жаростійкі покриття вибирають з урахуванням мінімальної взаємодії з агресивним середовищем. Покриття повинні мати невисоку пористість, особливо відкритого типу. До жаростійких покрить часто висувають підвищені вимоги до теплостійкості (теплозмін).

Теплозахисні покриття напилюють з матеріалів з низьким коефіцієнтом теплопровідності. У багатьох випадках до них висувають високі вимоги також щодо теплостійкості. Наявність розвиненої пористості в теплозахисних покриттях підвищує їхню ефективність.

Конструкційні покриття виконують у виробі роль конструктивного елемента. Типовим прикладом конструкційних покрить може служити тонкоплівковий шар, що наносять на багато виробів. Вимоги, пропоновані до таких покрить, особливо високі до сталості хімічного складу, типу мікроструктури та ін. В електротехнічній промисловості часто використовують напилювання для створення резисторів із широким діапазоном опорів. При виробництві газотурбінних двигунів на статорні поверхні компресора і турбіни напилюють конструкційні покриття у вигляді спрацьовуючих ущільнень.

Як конструктивний елемент можна використовувати і цілі вироби, одержувані методами напилювання. У практиці їх часто називають "корковими" виробами.

Технологічні напилені покриття призначені для спрощення іншого основного технологічного процесу, наприклад зварювання чи пайки. Нерідкі випадки, коли матеріали погано зварюються між собою. Для цих цілей з успіхом можуть бути використані напилені проміжні шари, між якими легко здійснюється міжатомний зв'язок при зварюванні. Істотно спрощується процес пайки при напиленні шару припою на елементи, що з'єднуються. Особливо це відноситься до тих випадків, коли неможливо внести припій традиційними способами,

Відповідно до типу покриття й умов експлуатації вибирають його склад, товщину, метод і спосіб напилювання й інші технологічні особливості.

29.2. Вибір складу покриття і його товщини

Для напилювання покрить різних типів можуть бути використані багато груп неорганічних матеріалів як в однокомпонентному варіанті, так і суміші з іншими компонентами. В останньому випадку покриття відносять до композиційного. При виборі складу покриття необхідно поряд з експлуатаційними вимогами враховувати і їхню сумісність з матеріалом напилюваного виробу.

Під сумісністю треба розуміти принципову можливість адгезійної взаємодії матеріалів покриття і напилюваного виробу. Крім того, у сумісних покриттях фізико-хімічні процеси на границі розділу в процесі експлуатації не приводять до порушення стабільності вихідного стану композиції. Наприклад, виключається утворення гальванічних пар, крихких фаз і т.д.

Для зручності аналізу фізико-хімічних процесів при напилюванні матеріали покрить доцільно розбити на групи відповідно до їхнього складу. Прийнявши за основу близькість властивостей матеріалів, їх можна розбити на такі групи: чисті метали; металеві сплави; металідні сполуки і сплави на їхній основі; металоїдні сполуки і сплави на їхній основі; оксиди; складні композиції, що складаються з різних груп матеріалів.

Для напилювання різних типів покрить можуть бути використані матеріали однієї чи декількох груп. Так, наприклад, для напилювання зносостійких покрить придатні матеріали всіх перерахованих груп. У групі чистих металів часто для напилювання зносостійких покрить використовують молібден і хром; у групі металевих сплавів - прості (сплави системи Fe - С) і складні (сплави системи Ni - Сr - B - Si - С). З матеріалів усіх груп формують корозійностійкi і жаростійкі покриття. Для теплозахисних покрить найбільш доцільна оксидна група матеріалів чи композиційних матеріалів з обов'язковим включенням оксидного компонента.

Рис. 29.1. Будова композиційних покрить:

a - покриття, напилене одночасно двома компонентами; б - покриття з проміжним шаром; в - багатошарове покриття; г - покриття, напилене на закріплену сітку; 1 - метал; 2 - оксид; 3 – сітка

Роль композиційних матеріалів у ряді типів покрить особливо велика. Так, наприклад, до складу покриття часто уводять твердий і пластичний компоненти. Завдяки цьому підвищується пластичність напиленого матеріалу, а отже, і його експлуатаційні властивості. Будова деяких композиційних покрить показана на рис. 29.1. Для всіх типів покрить важливе значення має його товщина. Вибір товщини визначається умовами експлуатації напилюваного виробу.

При відновленні зношених виробів методами напилювання часто товщина покриття визначається величиною зносу. Теоретичні дослідження, практика напилювання і наступна експлуатація напилених виробів показують, що зі збільшенням товщини покриття зростає імовірність його відшаровування.

Рис. 29.2. Залежність адгезійної міцності покриття а від його товщини п (а) і вибір температурного коефіцієнта лінійного розширення (б) матеріалу покриття (J), матеріалу проміжного шару (2) і напиленого

виробу (3)

На границі розподілу формується напружений стан, що сприяє руйнуванню покриття. Адгезійна міцність а зі збільшенням товщини покриття п падає (рис. 29.2 а). Тому у всіх випадках при виборі товщини покриття слід прагнути до мінімально можливих його значень.

29.3. Вимоги, що ставляться до покрить

Вимоги визначаються призначенням покриття й іноді суперечливі. Однак завжди потрібною є достатня адгезійна міцність, рівномірність по товщині, відсутність здуття. Не допускаються тріщини, відколи, відшарування, розшарування і т.д. Поряд з перерахованим контро-люється пористість покриття, а в ряді випадків і інші показники якості.

Спеціальні властивості покрить (зносостійкість, корозійна стійкість і т.д.) повинні відповідати вимогам конструкторської документації.

Правила приймання виробів з напиленими покриттями пред'являються до здачі партіями. За партію приймають будь-яку кількість виробів одного типорозміру, напилених по одному технологічному режиму та оформлених одним документом про якість. Вироби з покриттями піддають приймально-здавальним типовим випробовуванням. Їх проводять при відпрацьовуванні і зміні технології напилювання покрить і при перевірочних випробовуваннях. Для цих цілей звичайно використовують стандартні методики і зразки. Приймальноздаточні випробовування передбачають 100%-й контроль стану поверхні напиленого покриття і його товщини.

Для підвищення якості покрить іноді звертаються до напилювання підшарів. Необхідність у цьому виникає при незадовільненій сумісності матеріалу покриття з напилюваним виробом. Особливо часто несумісність супроводжується низькою адгезійною міцністю; утворенням на границі розподілу проміжних фаз, що знижують експлуатаційні властивості напилених виробів; великим розходженням в температурних коефіцієнтах лінійного розширення матеріалу покриття і виробу і т.д. Виходячи з цього і вибирають матеріал проміжного шару та способи його створення.

В усіх випадках при виборі матеріалу проміжного шару необхідно прагнути, щоб його температурний коефіцієнт лінійного розширення (ТКЛР) займав проміжне значення в композиції покриття - виріб

(рис. 29.2, б). Завдяки цьому знижується напружений стан на границі їхнього розподілу. Правильно обраний матеріал проміжного шару значно підвищує теплостійкість напилених покрить.

Іншим важливим показником для матеріалу підшару є ентальпія напилюваних частинок. Зі збільшенням ентальпії підвищується контактна температура і відповідно адгезійна міцність. Практика показала добрі результати при використанні для проміжних шарів тугоплавких металів (у розпиленому стані ентальпія молібдену складає 105 Дж/моль, вольф-раму 130 Дж/моль), а також композиційних термореагуючих порошків, наприклад плакованих чи конгломерованих частинок нікелю й алюмінію. Температура частинок сягає понад 3460 К.

Принципова схема вибору матеріалу проміжного шару полягає в такому: згладжування різниці в температурному коефіцієнті лінійного розширення покриття і напилюваного виробу; напилювання підшару частинками з максимальною ентальпією; зниження рівня дифузійної взаємодії на границях розподілу виріб - проміжний шар - покриття з утворенням небажаних фаз.

Дотримання розглянутої схеми при виборі матеріалу проміжного шару звичайно завдає серйозних труднощів. Часто удається виконати одну чи дві умови. Наприклад, тільки узгодження температурних коефіцієнтів лінійного розширення чи підвищення адгезійної міцності за рахунок високої ентальпії напилюваних частинок. Для напилювання проміжних шарів застосовують термореагуючі порошки системи Al - Ni, а також порошки молібдену, вольфраму і т.д.

Поряд з напилюванням проміжних шарів використовують інші способи. Наприклад, на поверхню напилювання укладають і закріплюють тонку сітку з відповідного матеріалу (рис. 29.1,г)

Проміжні шари використовують не тільки при газотермічному напилюванні. Широко відома технологія вакуумного конденсаційного напилювання зі змінним складом по товщині покриття. Вакуумні конденсаційні методи дозволяють легко керувати складом покрить. Так, наприклад, при напилюванні нітриду титану на інструментальні вироби перший шар складається практично з чистого титану, проміжний - з титану і нітридів і завершальний цілком - з нітриду титану.

Лекція 30. Вибір порошків та методу газотермічного напилення

30.1. Вибір матеріалу порошку для газотермічного напилення

Для газотермічного напилення застосовують велику кількість порошків з різних матеріалів з розміром частинок від 5 до 200 мкм. Для напилювання покрить використовують порошки загальнопромислового призначення і спеціалізовані. Спеціалізовані порошки часто випускають трьох класів: ОМ - особливо дрібні; М - дрібні; С - середні. Фракційний склад частинок у межах класу неоднаковий для різних груп матеріалів. Звичайно клас ОМ містить частинки фракцій 40-100 мкм, клас М – час-тинки фракцій 100 - 280 мкм, клас З - частинки фракцій 280 - 630 мкм.

Для напилювання застосовують порошки двох типів: однокомпоненті та багатокомпонентні. Їх називають композиційними порошками. Звичайно застосовують двокомпонентні порошки.

Однокомпонентні порошки являють собою частинки з одного елемента (алюмінію, титану, молібдену та ін.) чи зі сплавів різних елементів, наприклад Fe - С, Ni - Al, W - С, Ni - Cr, Ni - Cr - В - Si

та ін. Структура частинок може бути як гомогенною, так і гетерогенною. Звичайно однокомпонентні порошки одержують розпиленням розплавів чи відновленням. Відповідно розрізняють порошки розпилені і відновлені. У практиці газотермічного напилювання застосовують однокомпонентні порошки. Основна перевага їх складається в одержанні покрить з однорідним хімічним складом і структурою.

Композиційні порошки складаються з двох чи більше різних за властивостями компонентів, розділених між собою чіткою границею розподілу.

При газотермічному напилюванні композиційними порошками забезпечуються: одержання гетерогенних дрібнодисперсних структур з рівномірним розподілом компонентів (С - WC - Ti, Ni - NiAl - Al, Ni - AІОта ін.), протікання екзотермічних реакцій між компонентами порошків (Ni - Al, Ni - Ti, Co - Al, Ni - Cr – Al та ін.); захист ядра напилюваної частинки плакуванням від взаємодії його з газовою фазою та ін.

Адіабатичне зростання температури напилюваних частинок за рахунок реакції синтезу сполук, що утворюються, можна оцінити за виразом DТад = Q/Cр, де Q- тепловий ефект взаємодії; Ср - теплоємність.

Теплові ефекти можливих реакцій у композиційних порошках наведені на рис. 30.1

Найбільш значні теплові ефекти спостерігаються в метал-оксидних композиціях. Для більшості оксидів DТад перевищує 2000 °С. У

металідних системах тепловий ефект реакції істотно нижче. Приріст температури напилюваних частинок сягає понад 700 °С.

Для протікання екзотермічної реакції необхідно частинку нагріти до визначеної температури. Залежно від реагуючих систем ця температура складає 600 - 1300 °С.

У термонейтральних порошках є різні типи композицій. Розглянемо їх.

Метал (сплав) - тугоплавка металоїдна сполука: Сг - WC, Ni - WC, Ni - CrC, Ni - Ti - Br, Cu - Si, Mo - CrC, (Ni - Cr) - WC, (Ni - Cr - B - Si) - WC та ін.

Метал (сплав) - металідна сполука: (Ni - Cr) - NiAl,

(Ni - Cr - В - Si) - NiAl та ін.

Метал (сплав) - тверде змащення: AI - BN, Ni - BN, Ni - З,

(Ni - Cr) - Cd2, Mo - Mo та ін.

Метал (сплав) - оксид: Ni - AIО, Ni - ZrО, Cu - ZrО2, Ni - Mg,

Mo - AIОта ін.

Оксид - оксид: SiО- CrО, TiО2 - AIО, AITiО- MgО та ін.

При газотермічному напилюванні термонейтральних композиційних порошків екзотермічна реакція не протікає або тепловий ефект її надзвичайно малий.

Рис. 30.1. Тепловий ефект реакцій: 1- VO+Al; 2- NiAl+O;

3- Al + O; 4 - CuO + Al; 5 - СоО + Al; 6 - NiO + Al;

7 - WO+ Al; 8 - CrО+ AI; 9 - 3Ni + Al; 10 -Ni + Al; 11 - ZrO+ Al

30.2. Вибір методів напилення порошків

Правильний вибір методу і способу напилювання визначає у першу чергу, якість покриття і продуктивність процесу. Вибір доцільно проводити: виходячи з вимог, пропонованих до якості; з огляду на властивості матеріалу покриття; залежно від товщини покриття; з урахуванням реалізації максимальної продуктивності й інших особливостей.

Високу якість покрить легше за все одержати при вакуумних конденсаційних методах напилювання, особливо в способах, де потік напилюваних частинок (пари) стимульований плазмою. При газотермічних методах найбільш висока якість покрить забезпечується детонаційно-газовим напилюванням. Аналогічні результати можуть бути досягнуті при плазмових способах напилювання, наприклад із загальним захистом у низькому вакуумі.

Вакуумні конденсаційні методи напилювання дозволяють одержувати покриття практично будь-якого складу. При газотермічних методах виникають складності, пов'язані з напилюванням термічно нестабільних сполук. У процесі нагрівання спостерігається дисоціація цих сполук чи їхня сублімація. Так поводяться багато нітридів (TіN, Zr, AlN та ін.), деякі оксиди (заліза, міді та ін.) і ряд інших сполук. Склад напилюваного матеріалу може істотно змінюватися в результаті виборчого випаровування окремих елементів з високою пружністю пари. Газотермічне напилювання на повітрі завжди пов'язано з окислюванням напилюваного матеріалу. При цьому склад покриття може істотно відрізнятися від складу напилюваного матеріалу і найбільше по елементах, що легко окисляються. Збереження вихідного складу напилюваного матеріалу можливо при детонаційно-газових способах напилювання.

Товщина покриття впливає на вибір методу напилювання. Тонкі (плівкові) покриття досяжні тільки методами вакуумного конденсаційного напилювання. Мінімальна їхня товщина може складати десятки атомних шарів. Газотермічні методи забезпечують мінімальну товщину покриття, близьку

до діаметра напилюваних частинок (dп = dч), що дорівнює

10 - 100 мкм.

Великий вплив на вибір має продуктивність процесу. У цьому відношенні газотермічні методи мають значну перевагу порівняно з вакуумними конденсаційними методами.

При виборі методу і способу напилювання необхідно також враховувати енергоємність процесу, коефіцієнт використання матеріалу та інші фактори.

Дата добавления: 2014-01-07