Введення до складу покрить пластичного матеріалу

Чисто карбідні покриття характеризуються високою крихкістю. Здебільшого такі покриття не задовольняють експлуатаційні вимоги. Тому в покриття при їхньому напилюванні вводять матеріал, що має досить високу пластичність. Звичайно це чисті метали або сплави. Введення пластичного матеріалу може бути здійснено і після напилювання покрить. Це досягається за допомогою проникнення покрить тобто заповнення розплавленим металом сполучених пор та несуцільностей у покритті.Це забезпечує підвищення його міцності і пластичності. Для введення пластичного матеріалу застосовують такі способи: напилювання механічними сумішами порошків карбіду і пластичного металу; напилювання конгломерованими композиційними і плакованими карбідними порошками.

При сучасному рівні устаткування і технології напилювання найбільш висока якість покрить досягається при застосуванні плакованих карбідів. Переваги першого способу полягають у тому, що при формуванні покриття практично відсутня взаємодія між компонентами. При напилюванні композиційними порошками (конгломерованими) взаємодія неминуча. Взаємодія часто приводить до появи нових фаз, що іноді негативно впливають на якісні показники покрить.

Перевага плакованих порошків полягає в тому, що покриття захищає карбідні частинки від окислення вуглецю. Для карбідів, здатних до обезвуглецевання при напиленні, пластична фаза може бути створена за рахунок втрати вуглецю в дрібних частинках. У цьому випадку для напилювання використовують механічну суміш, що складається з дрібних (dпо = 10÷30мкм) і великих (dпо = 50 ÷ 100 мкм) карбідів.

У багатьох карбідних покриттях об'ємна частка пластичного металу повинна складати 5 - 30 %. Масова частка пластичного зв'язування коливаються в більш широких межах (10 - 60 %) і залежить від густини карбіду і пластичного металу. Для плакування карбідів найбільш часто використовують нікель. Цей метал не належить до дорогого, легко наноситься на порошкові частинки багатьма способами. Поряд з нікелем для плакування можуть бути використані багато інших металів і сплавів. Основна вимога до плакування - це висока щільність покриття, достатня адгезія і визначена товщина шару. Масова частка металу плакування залежить від типу карбіду, діаметра частинок і режимів процесу. Товщину плакування на карбідних частинках вибирають у межах 1 - 5 мкм і більше.

Лекція 19. Особливості нанесення покрить із карбідів титану та хрому

19.1. Напилення покрить з карбідів титану

Карбіди титану широко використовують для газотермічного і вакуумного конденсаційного напилювання захисних покрить. Ці сполуки мають високу твердість і велику температуру плавлення. Максимальний вміст вуглецю в Tі складає 20,1 % (за масою). У технічних карбідах концентрація вуглецю знаходиться в межах 12-19,5 % (за масою). Мікротвердість TіС зі зменшенням вуглецю в карбіді знижується лінійно з 26000 МПа при 46 % (ат.) до 16000 МПа при 25 % (ат.). Окислювання порошкоподібного TіС починається при температурі 500 -6ОО °С. Карбідні покриття з TіС мають високу твердість і зносостійкість в умовах змащення і при сухому терті, а також при підвищених температурах. Встановлено і достатньо високу жаростійкість покрить

(понад 850 °С).

Карбід титану належить до доступних матеріалів для газотермічного напилювання, він недефіцитний і має порівняно невисоку вартість.

При розробці технології газотермічного напилювання покрить з карбіду титану необхідно враховувати його невисоку густину (4900 кг/м3). Це впливає на нагрівання частинок при їхньому переносі. Відомо, що частинки, що володіють малою густиною, мають високі швидкості переміщення від розпилювача до поверхні напилюваного виробу. Завдяки високій температурі плавлення ТіС (3140°С), час нагрівання частинок при переносі може виявитися недостатнім. До особливостей напилювання карбіду титану треба також віднести незначні втрати вуглецю. Практика показала, що покриття, напилені з одного карбіду титану, характеризуються високою крихкістю і мало придатні для експлуатаційних умов. У зв'язку з цим при плазмовому і детонаційно-газовому напиленні використовують введення в покриття пластичних (з’єднувальних) добавок, наприклад залізовуглецеві сплави, хромонікелеві сталі і сплави, нікель, кобальт, мідь і їхні сплави та ін. Завдяки цьому, одержують покриття із широким діапазоном фізико-хімічних властивостей. Особливо часто в якості пластичного металу в покриття вводять нікель чи хромонікелевий сплав, іноді з невеликими добавками інших елементів, наприклад молібдену, фосфору, бору й алюмінію.

При напилюванні покрить порошковими сумішами (TіС+Nі) взаємодія між нікелем і TіС практично не відбувається. Формується композиційне покриття з частинок TіС і нікелю. Так, для детонаційно-газового напилювання застосовують суміш TіС +15 % (за масою) Х20Н80. При цьому пористість складає 0,5-1 % (об’ємн.), мікротвердість 510МПа, температура експлуатації 880°С.Напилювання композицій-ними порошками, особливо плакованими, приводить до розвитку активної взаємодії між ядром з TіС й оболонкою з нікелю. Ця взаємодія починається в процесі нагрівання частинки при її переносі і закінчується при формуванні покриття. При плазмовому напилюванні в покритті виявляються такі фази: Tі, подвійні карбіди TіNіС, наприклад (TіNі)C, металідні сполуки NіTі, NіTі, твердий розчин TіС у Nі. Чистий нікель у покриттях практично відсутній. Зустрічаються сполуки, обумовлені взаємодією TіС з газовою фазою: ТіО, TіО, TіN та ін.

Мікротвердість окремих складових покрить, напилених частинками TіС діаметром 40 - 63 мкм із різною товщиною плакування (2 - 4 мкм) і відповідно з частинками нікелю, наведена в табл.19.1. При цьому рекомендується такий режим плазмового напилювання: струм дуги Iд = 260 ÷ 540 А; витрата аргону GAr = (5,6 ÷ 12,1)10-4 м3/с; витрата водню GH=(0,8 ÷ 2,5)10-4 м/с; витрата порошку Gno = 5 -10 кг/год; дистанція напилювання L = 0,08 ÷ 0,22 м.

Покриття, напилені з плакованих нікелем карбідів титану, характеризуються такими властивостями:

Таблиця 19.1

Мікротвердість (Нµ) складових при напилюванні TіС,

плакованого нікелем

Значення Нµ при вмісті нікелю, % (за масою)

Складова _____________________________________________________

25 35 50

Карбідна 18300-28520 18300-28520 25750-37940

Нікелева 2160-4740 2660-4740 2160-4760

Продукти

взаємодії 3010-9480 2840-6150 2740-5860

пористість - 6 -23 %; адгезійна міцність – 25 - 37 МПа (за клейовою методикою), когезійна міцність 46-70 МПа. Висока міцність зберігається

і після термоциклування до 700 °С. У покритті формуються як стискаючі, так і розтягуючі залишкові напруги. Зокрема, такі покриття рекоменду-ються як жаростійкі при температурах до 850 °С.

19.2. Напилення покриттів із карбідів хрому

Карбіди хрому широко використовують для газотермічного напилювання покрить і вони особливо перспективні. Немає принципових обмежень і при конденсаційних методах нанесення покрить. У ряді карбідів перехідних металів карбіди хрому характеризуються найбільшою жаростійкістю, стійкістю до агресивних середовищ, досить високою твердістю, особливо при підвищених температурах. У системі Сr-С чітко виділяються три карбіди хрому: СrС, СrС і СrС6, що розрізняються між собою за вмістом вуглецю 13,3; 9,0; 5,68 % (за масою) і відповідно властивостями.

Вищий карбід хрому СrСодержують навуглецеванням у твердому стані. Інші карбіди одержують як навуглецеванням, так і плавленням. Промислові підприємства випускають відновлені (губчасті, скелетні) і литі (монолітні) порошки карбідів хрому. Концентрація вуглецю регламентується такими значеннями: зв'язаного - не менше за 12,5 % (за масою), вільного - не більше за 0,4 % (за масою). Вміст хрому має бути вище 85 %. Обмежується концентрація кисню в карбіді, вона не повинна перевищувати 0,4 % (за маcою). Фракційний склад порошкових карбідів мкм: 80 -100, 60 - 80, 28 - 60, 14 - 28. Таким чином, газотермічне напилювання проводять порошковими частинками, що містять у своєму складі як вищі карбіди СrС, так і нижчі СrС. Раніше відзначалося, що при плавленні вищі карбіди переходять у нижчі. Для карбідів хрому характерна реакція 7 СrС= 3СrС+ 5С.

Це дає можливість формувати покриття при газотермічному напилюванні, в основному, з карбідів СrС. Тільки при нагріванні частинок нижче температури плавлення чи периферійному їхньому оплавленні можливий перехід у покриття карбіду СrС.

Окислюванню карбідів хрому, очевидно, передує утворення нижчих карбідів. Можливе протікання окислювання за реакціями:

7 СrС+ 5/2 О= 3 СrС+ 5CO;

2 СrС+ 33/2 О= 7СгО+ 6CО.

При високих температурах, близьких до температур плавлення, можливі реакції з утворенням оксиду хрому і сажистого вуглецю.

Процес окислювання частинки карбіду хрому припиняється при створенні на її поверхні оксиду СгО, що має необхідну товщину і достатню суцільність. Як показала практика, втрати вуглецю при газотермічному напилюванні карбіду хрому невеликі і складають 0,1- 0,3 % (за масою).

При взаємодії нагрітих частинок карбідів хрому з азотом, що міститься в газовому потоці, можливі реакції:

2/3 СrС+ N= 2CrN + 4/3 С;

4/3 СrС+ N= 2CrN + 8/3 С.

Аналогічні реакції відбуваються і при взаємодії азоту з нижчими карбідами.

При газотермічному напилюванні карбідами хрому до складу покрить також вводять пластичний компонент - зв'язку. Найбільш повно досліджене введення зв'язки за рахунок плакування порошкових часток нікелем, рідше кобальтом чи іншими елементами. Масова частка нікелю в покритті складає 25 - 30 %. Експериментально підтверджене зниження окислювання вуглецю за рахунок дії плакуючої оболонки, яка екранує. Спостерігається активна взаємодія розплавленого карбіду з нікелем.

Відомо, що нікель практично нерозчинний в СrС. У процесі

напилювання СrСперетворюється в СrС. Останній насичується нікелем, утворюючи подвійний карбід (CrNі)C. Частина хрому, що звільнилась, йде на утворення матричного твердого розчину Nі-Cr-C. Фазовий аналіз показує присутність у напилених покриттях оксидів СгОі більш складних СгОNіО. При наступному нагріванні напиленого покриття (понад700 °С) цей процес продовжується. По завершенні дифузійних процесів покриття набуває стабільної будови. Мікротвердість карбідних фаз складає (12-14)10 МПа, твердого розчину (2,5 - 3,1) 10 МПа. Адгезійна міцність на зразках на вуглецевій сталі складає 21- 25 МПа. Покриття з плакованих нікелем карбідів хрому показали високу жаростійкість при 700 і 900 °С та термостійкість понад 200 термічних циклів.

Лекція 20. Особливості напилення покриттів із карбідів

вольфраму

20.1. Деякі властивості карбідів вольфраму, що виявляються при

їхньому нагріванні

Карбіди вольфраму, незважаючи на дефіцитність і підвищену вартість, широко застосовують для газотермічного напилювання покрить, особливо відповідального призначення. Великий інтерес мають і вакуумні конденсаційні покриття.

Відомі два карбіди вольфраму: WC і WC. Монокарбід WC містить 6,12 % (за масою) С. Його одержують навуглецеванням у суміші дисперсних порошків вольфраму і сажі в струмі водню при температурі понад 1600 °С. При нагріванні монокарбіду слід враховувати його властивість дисоціювати при температурі 2600 °С за перитектичною реакцією.При цьому утворюється рідка фаза, що містить 5,5 % С та графіт. Монокарбід або g-фаза (твердий розчин на основі WC) має дуже низьку область гомогенності. Незначні втрати вуглецю обумовлюють перехід WC у нижчий карбід WC чи b-фазу (твердий розчин на основі WC) і графіт: 2WC ® WC + C. Карбід WC містить 3,2 % (за масою) С. Однак твердий розчин на його основі (b-фаза) має концентрацію вуглецю приблизно від 2,5 до 3,6 % (за масою) тому існує широка область гомогенності. Температура плавлення WC складає 2760 °С, густина - 17,2 г/см3, мікротвердість

(28-31) 10 МПа. За механічними властивостями, особливо за модулем пружності, WC значно поступається WC. Промисловість випускає монокарбід вольфраму з розміром порошкових частинок

1-5 мкм, призначений для виробництва твердосплавного інструмента. Як відомо, такі грануляції мало придатні для газотермічного напилювання. Звичайно монокарбід гранулюють у суміші з пластичними металами і використовують для плазмового й особливо детонаційно-газового напилювання покрить. Карбід вольфраму промислового поширення не одержав. Для наплавлення зносостійких поверхонь різного інструмента і ряду інших цілей випускають литий сплав (реліт), по складу близький до евтектичної суміші WC + WC. Загальний вміст вуглецю в реліті знаходи-ться в межах 3,6 - 4,2 % (за масою). Структура сплаву здебільшого складається з WC. Мікротвердість складових знаходиться в межах (25 - 30) 10 МПа. Для газотермічного напилювання відсівають дрібну фракцію з розміром частинок 45-100 мкм.

20.2. Процеси окислювання карбідів вольфраму

На відміну від інших, раніше розглянутих карбідів, карбіди вольфраму характеризуються високою схильністю до обезвуглецевання. Після реакції окислювання монокарбід розкладається.Тому для обох карбідів в окислюванні буде брати участь в основному карбід WC. Сумарна реакція:

2 WC + 7О= 4 WО+ 2СО; WC + 4О= 2WО+ СО.

Розрахунки показують, що на першому етапі відбувається інтенсивне окислювання вуглецю. Плівка, що утворюється складається з ряду оксидів вольфраму, і при температурах понад 1500 °С, легко сублімує. При цьому зникає її захисна властивість при глибинному окислюванні вуглецю (рис. 19.2, в) у напилюваних частинках. Цьому сприяють також можливі реакції:

WО+ ЗС = W + ЗСО; 2 WО+ ЗС = 2W +ЗСО.

Результати окислювання вуглецю в реліті при плазменному напилюванні наведені в табл. 20.1.

Тільки частинки розміром 90 -150 мкм зберігають достатню кількість вуглецю, що укладається в межі гомогенности b-фази.

Таблиця 20.1.

Втрати вуглецю при плазмовому напилюванні реліту

та микротвердості Hm, частинок у покритті

Дата добавления: 2014-01-07