 |
Таблиця 3.6. Режими попереднього підігрівання
|
|
|
|
Таблиця 3. 6. Режими попереднього підігрівання
| Матеріал основи | Дозволена температура підігріву,  С
|
| Сталь | |
| Мідь та її сплави | |
| Нікель та його сплави | |
| Титан та його сплави | |
| Алюміній та його сплави |
Таблиця 3. 7. Коефіцієнти термічного розширення 1/ металів, покриття та литих матеріалів
|
Метал |
Стан | Температура, | ||
| 20…100 | 20…300 | 20…500 | ||
| Сталь з 0, 1% | лита | 11, 86 | 12, 50 | 14, 19 |
| напилена | 11, 70 | 12, 79 | 13, 57 | |
| Мідь | лита | 16, 82 | 17, 59 | 18, 49 |
| напилена | 16, 52 | 14, 89 | 17, 42 | |
| Олов’яниста бронза | лита | 13, 39 | 18, 16 | 18, 89 |
| напилена | 17, 67 | 18, 25 | 17, 92 | |
| Латунь | лита | 19, 05 | 20, 32 | - |
| напилена | 18, 77 | 19, 63 | - | |
| Алюміній | литий | 23, 79 | 25, 55 | 21, 88 |
| напилений | 23, 26 | 25, 64 | 19, 35 | |
| Свинець | литий | 29, 75 | - | - |
| напилений | 26, 58 | - | - | |
Таблиця 3. 8. Матеріали для виробу прошарку
| Матеріал прошарку (марка порошку) | Орієнтовані граничні температури експлуатації покриття, 
|
| ПН55Т45 | |
| МПЧ (молібден) | |
| ПТ88Н12 | |
| ПРХ18Н9 | |
| ПТ-НА-01 | |
| ПТ-Ю5Н | |
| ПХ20Н80 | |
| ПН85Ю15 | |
| ПН65Ю35 | |
| ПН70Ю30 |
Повітря у приміщенні підготування деталей до напилення не повинно мати корозійно-активних реагентів, пари мастила, пилу. Після стадії обезжирювання до закінчення процесу підготовки поверхні не можна торкатися поверхні руками та забрудненим інструментом. Необхідно працювати у рукавичках та використову-вати чистий, обезжирений інструмент. Якщо неможливо нанести покриття безпосередньо після підготовки, оброблену поверхню необхідно покрити чистою поліетиленовою плівкою, для запобігання подання на неї мастила, вологи, пилюки.
|
|
|
Проміжок часу зберігання деталей з підготовленою поверхнею перед нанесен-ням прошарку не повинно неревищувати:
- у закритих приміщеннях - 8 год;
- на відкритому повітрі у суху погоду - 3 год;
- під навісом у сиру погоду - 0, 5 год.
При підготовці поверхонь, які швидко окислюються, наприклад, алюмінію, перерва у часі допускається не більш однієї години.
Важливим завданням у технологічному процесі обробки основного ма-теріалу є контроль якості підготовки поверхні. Всі матеріали для обезжир-рювання, активування, формування шорсткості, нанесення прошарку повин-ні відповідати вимогам стандартів та технічним умовам.
Шорсткість контролюється комбінованими профілографами, профілометрами. Оцінка ступеня частоти поверхні здійснюється співставленням обробленої поверхні з еталоном.
Є спосіб візуального контролю по очищенню маркіровочної фарби з поверхні. Оцінку якості обробки поверхні можна вести по зміні кривизни поверхні зразка після дробоструменевої обробки та співставлення його з еталоном.
Кількість методів контролю якості поверхні після обробки основного матеріалу обмежена. Причому вони основані на визначенні тільки однієї характеристики: або шорсткості поверхні, або повноти обробки, або напруженого стану поверхневого шару металу.
4. ГАЗОТЕРМІЧНІ ПРОЦЕСИ НАНЕСЕННЯ ПОКРИТТЯ
4. 1. Теоретичні відомості
Процес формування покриття містить весь ланцюг явищ, які визначають трансформацію матеріалу основи і її поверхні, а також частинок дисперсної фази та несучого потоку поблизу неї, у структуру і властивості покриття.
Першим етапом взаємодії частинок матеріалу з основою і вже твердими попередніми частками, які закріпилися на основі, є удар. Фізичний контакт, який супроводжує удар, створюється до хімічної взаємодії і практично визначає фактичну площу контакту, на якій формуються міцні зв'язки.
|
|
|
У зоні співудару виникає тиск p, який може бути поданий у вигляді двох складових - напірного або динамічного тиску рd, і ударного, або імпульсного тиску рi. Спочатку крапля рідини пружно деформується і лише через проміжок часу t = 10-11... 10-9с у місці удару утворюється тонкий плоский шар. Його виникнення пояснюється пружним стискуванням частинки у місці удару. Потім під дією імпульсного тиску pi стиснута рідина інтенсивно розтікається по поверхні.
Максимальний тиск можна оцінити з виразу:
pi= (μ /2)ρ рчарчwч, (4. 1)
де μ - коефіцієнт жорсткості частинки, який враховує релаксаційну здатність рідини залежно від швидкості та форми краплі; ρ рч, арч - густина рідкої частинки і швидкість звуку в ній відповідно. Для розплавів металів арч = (2... 5)103 мм/с. Коефіцієнт μ /2 наближається до 0 при малих wч і μ /2=1 при wч> 100 м/с.
Напірний тиск рd розраховується за рівнянням Бернуллі. Можна вважати, що розмір ділянки поверхні контакту, до якої прикладений тиск рd, близький до діаметра частинки до удару. Якщо основу вважати абсолютно жорстким твердим тілом, а розплав матеріалу - ідеальною рідиною, отримаємо найпростіший випадок удару, при якому динамічний тиск розраховується за формулою:
рd =ρ рч wч2 (4. 2)
Якщо вважати, що висота частинки на її осі під час удару рівномірно зменшується від dч до hч зі швидкістю руху частинки до удару wч, тоді тривалість дії динамічного тиску на всі частинки складе: t = (dч - hч) /wч, тобто буде визначатися часом, необхідним для змикання фронту кристалізації із вільною поверхнею частинки.
Якщо припустити, що вся кінетична енергія руху частинки витрачається на збільшення її поверхні при зміні форми із сферичної у плоский диск, вираз для мінімальної швидкості ŵ Ч min, за якої ще можлива деформація частинки при ударі об плоску поверхню, буде мати вигляд:
де σ - поверхневий натяг матеріалу частки у розплавленому стані; p ч - густина матеріалу частинки; d ч - діаметр частинки до удару; h ч -висота застиглої частинки або висота умовного циліндра, на який перетворилась частинка після розтікання і кристалізації.
|
|
|
Виходячи із експериментальних даних про деформацію частинок (h ч/d ч) при напиленні, можна оцінити мінімальну швидкість частинок WЧ min. Так, у випадку створення покриття металевими частинками діаметром d=10-4 м при σ = 1 Дж/м2 і рч = 104 кг/м3: WЧ min = 5... 8 м/с, а для оксидів із dч =0, 5∙ 10-4 м і σ ≈ 0, 7 Дж/м2 при
рч =4∙ 103 кг/м3: WЧ min = 9... 15 м/с.
У реальних умовах частинки з малою швидкістю можуть утворюватися в несучому потоці, коли потрапляють на його периферію, де вони менш інтенсивно прискорюються на початку руху і сильніше гальмуються у міру віддалення від зрізу сопла розпилювача.
Внаслідок деформації і розтікання частинок утворення фізичного контакту при газотермічному напиленні забезпечується для більшості розплавлених частинок, які рухаються у потоці (WЧ > WЧ min).
У разі відсутності ерозії матеріалу основи, його перемішування із матеріалом, що напилюється, і підплавлення, фізичний контакт утворюється внаслідок пластичної деформації поверхні в момент удару частинки.
Фізичний контакт передує хімічній взаємодії, при якій на фактичній площі контакту формуються міцні зв'язки.
У процесі ударної взаємодії на площі контакту забезпечується проходження фізичної адсорбції напилюваного матеріалу на поверхню твердого тіла. Водночас формування фактичної площі контакту, яка складає деяку частину площі фізичного контакту, пов'язане з хемосорбцією.
Для утворення міцних адгезійних зв'язків, які забезпечуються хем-сорбцією, частинки напилюваного матеріалу при співударі з поверхнею основи повинні здійснити роботу, величина якої залежить від енергії кристалічної ґратки, структури і поверхневої енергії речовини, яка наноситься.
У випадку з'єднання чистих металів або твердих речовин процеси електронної взаємодії обмежуються колективізацією валентних електронів позитивними іонами, внаслідок чого між системою атомів, які утворюють кристалічну гратку, виникає міцний металевий зв'язок. Особливістю цього зв'язку є відсутність насичення, яке визначається валентністю відповідних атомів.
|
|
|
Для здійснення хемосорбції на реальній поверхні потрібна енергія для активації цієї поверхні, тобто, на набуття молекулою або атомом енергії активації. Фізично цей акт можна інтерпретувати як процес розривання насичених зв'язків на поверхні адсорбуючого тіла, у результаті якого з'являються неспарені електрони (радикали), які здатні брати участь у хімічній взаємодії.
Таким чином, для проходження у контакті процесів електронної взаємодії різних типів потрібна визначена енергія для активації стану поверхонь.
Розвиток реакції на межі взаємодії фаз (тобто у плямі хімічної взаємодії діаметром D, яка займає в загальному випадку частину поверхні під деформованою частинкою) визначається за відносною міцністю зчеплення частинки з основою.
(4. 4)
де N(t) - кількість атомів, яка прореагувала за час t; N0 - загальна кількість атомів, які знаходяться в контакті на поверхні розділу " частинка - поверхня"; σ (t) - міцність зчеплення, яка досягається за час t; σ max - максимальна міцність зчеплення, якої можна досягти; Еа - енергія активації твердофазної взаємодії; Рі - імпульсний тиск; γ - показник перенапруження в основі; Тк - температура у контакті частинки, яка напилюється, і поверхні основи; К - постійна Больцмана; v - частота власних коливань атомів.
Значення N(t)/N0 для плазмового напилення, наприклад, може досягти 0, 6... 0, 8. Одним із головних параметрів, необхідних для оцінки проходження хімічної реакції між матеріалом, що напилюється, і основою, є температура Тк, яка встановлюється в контакті " рідка частинка - тверда основа". Згідно із результатами досліджень, Тк лежить між значеннями температур основи і частинки. Для багатьох випадків Тк відповідає твердому стану обох матеріалів (частинки і основи). Винятком є напилення тугоплавких матеріалів, які підплавляють поверхні менш тугоплавких основ у місці контакту.
Тк визначається температурою частинок, які напилюються, і основи, частково - швидкістю частинок у зв'язку із переходом частини їх кінетичної енергії в тепло при ударі і наявністю ендо- або екзотермічних реакцій при взаємодії напилюваного матеріалу і основи.
Із підвищенням температури основи одночасно ідуть два процеси: збільшення діаметра плями D на якому частинка у результаті взаємодії міцно закріплюється на основі, і збільшення міцності зчеплення частинки з основою у самій плямі D за рахунок збільшення кількості осередків схоплювання в ньому. Міцне закріплення частинки настає тільки при підігріванні основи до визначеної температури, яка відповідає заповненню контактної поверхні під осередками схоплювання на 40... 70%.
|
|
|
Перегрівання частинок вище від температури плавлення також підвищує міцність їх зчеплення з основою і збільшує площу плями хімічної взаємодії (S = π D2/4). Зростання міцності пояснюється тим, що при перегріванні частинок підвищується контактна температура і процес хімічної взаємодії різко прискорюється.
Принципово важливим є те, що тільки спільна дія підвищення Тк, деформації і тиску при ударі і розтіканні частинки на основі здатна привести до її міцного закріплення на поверхні.
Як було показано вище, Тк збільшується при переході кінетичної енергії у теплову в результаті співудару частинки з основою. Із підвищенням швидкості частинок міцність зчеплення буде зростати. Збільшення швидкості підвищує не тільки адгезію, але й когезію покриття.
Підвищення швидкості частинок і, відповідно, тиску у контакті суттєво зменшує енергію активації Еа. У цьому випадку розрив найбільш слабких зв'язків атомів у ґратці матеріала основи надає поверхні більшої активності і забезпечує перебудову хімічних зв'язків між атомами частинки і основи в контакті, що приводить до утворення осередків схоплювання і міцного приварювання частинок.
Роль деформації у процесі утворення міцного зв'язку пов'язана з тим, що напруження, які виникають в області удару частинки об поверхню сприяють виходу дислокацій на контактну поверхню і її активації за рахунок розривання насичених зв'язків, що веде до утворення додаткових активних центрів.
Всі атоми на поверхні основи в полі пружних перекручень навкруги дислокації, енергія яких досягла або перевищила деякий потенційний бар'єр, вступають у хімічну взаємодію.
Розрахунок показує, що для низьких швидкостей частинок матеріалу за рахунок пластичної деформації можна отримати не більше 0, 1 частини контакту. У таких випадках головним фактором, який забезпечує міцне приварювання частинок, є термічна активація.
Із підвищенням швидкості частинок (wч > 100…200 м/с) тиск, який діє в зоні контакту, може прискорювати приварювання як шляхом пластичної деформації, так і за рахунок пружного перекручування кристалічної ґратки основи у місці удару кожної частинки. За інших рівних умов частинки матеріалу, які рухаються з більш високою швидкістю, спричиняють більшу пластичну деформацію основи, що стимулює швидке проходження об'ємних процесів у приповерхневій області матеріалу основи і, відповідно, веде до більш міцного з'єднання.
Це пояснює факт збільшення міцності зчеплення покриття з основою, який спостерігається при використанні надзвукових розпилювачів. Однак ця тенденція має обмеження, яке пов'язане із диспергуванням частинок матеріалу, що мають високі швидкості при ударі об основу.
Слід сказати, що з'єднання утворюється в першу чергу саме у місцях виходу дислокацій внаслідок їх здатності пересуватися із швидкістю вище від деякого граничного значення, необхідного для достатньо швидкої деформації, коли на поверхні утворюється шлейф розірваних зв'язків. Відповідно ці місця є центрами утворення осередків схоплювання напилюваного матеріалу і основи.
Міцність покриттів можна значно підвищити, якщо напилення вести таким чином, щоб частинки, які наносяться, укладались на частинки попереднього шару, які ще не захолонули. Такі частинки називають термічно активними, а період їх захолодження на основі до визначеної температури Т*0 (більш високої, ніж температура основи Т0) – часом термічної (або теплової) активності частинки tа.
Міцність зчеплення частинок у напилених покриттях, або когезія покриттів, коливається від 10 до 100 МПа залежно від типу напилюваного матеріалу і умов напилення. Якщо досягнення високої адгезії часто потребує спеціальних технологічних заходів, то самі покриття утворюються при кімнатній температурі з будь-яких речовин і матеріалів без додаткового підігріву виробів при напиленні. Цей факт пояснюється високою температурою контакту між частинками в покритті Тк˝, що виникає внаслідок зниженої теплопровідності покриття порівняно з теплопровідністю компактного матеріалу. Ця температура Тк˝ значно вище, ніж температура в контакті при напиленні на компактний матеріал.
Процес формування покриття приводить до появи у ньому великих залишкових напружень, що збільшуються з ростом товщини покриття і знижують його міцність. Тому покриття товщиною більш 1 мм звичайно схильні до відшаровування. Зниження адгезійної міцності покриттів є наслідком ряду причин.
1. Сумарна площа всіх ділянок Σ Fx між частинками, на яких утворилося міцне з'єднання, складає тільки частину всієї площі їх контакту.
2. Міцність у самій плямі приварювання діаметром Dх нижче міцності компактного матеріалу, що пояснюється макро- і мікроскопічною дефектністю з'єднання, що утворилося; невеликим взаємним проникненням матеріалів основи і покриття внаслідок малої об'ємної взаємодії і сполученням ґраток із різним типом хімічного зв'язку, наприклад, захисне покриття з оксиду з іонним типом зв'язку нанесено на основу з металевим зв'язком.
3. Знижена щільність покриттів (80... 95%) порівняно зі щільністю компактного матеріалу.
4. Великі залишкові напруги, що виникають у напиленому матеріалі в процесі його утворення.
Відомі технологічні прийоми, які дозволяють регулювати залишкові напруження в покриттях:
1) узгодження властивостей матеріалів покриття і основи і, в першу чергу, їх коефіцієнтів термічного розширення;
2) регулювання термічного впливу високотемпературного струменя на частинки і основу шляхом зміни розподілу його теплової потужності по плямі нагрівання, а також регулювання дистанції напилення, або зміни швидкості переміщення розпилювача;
3) зниження модуля пружності матеріалу покриття, наприклад, введенням у нього додатків пластичного матеріалу;
4) використання підшарків між основою і покриттям, які забезпечують плавний перехід властивостей від матеріалу основи до матеріалу покриття;
5) зміна товщини покриття, а також використання багатошарових покриттів із чергуванням шарів із різних матеріалів;
6) армування покриття безперервними або дискретними дротами чи волокнами;
7) зміна форми поверхні, яка напилюється (надання гострим кутам виробу деякого радіуса кривини).
Внутрішні напруги при нагріванні різко зростають внаслідок великої різниці у температурних коефіцієнтах лінійного розширення матеріалів основи та покриття. Тому на практиці при нанесенні оксидного покриття на метали звичайно використовують перехідні підшари, у яких відбувається часткова релаксація залишкових напруг.
У покритті можуть виникати як залишкові напруження розтягнення (молібден і нікель на молібдені, алюміній на алюмінії, залізо, кобальт, ніхром, сталь 12Х18Н12Т на жорсткій основі), так і залишкові напруження стиснення (молібден на бронзі, оксид цирконію, оксид алюмінію, сталь У8 і 4X13, вольфрам на жорстких основах).
Високі швидкості охолодження є передумовою збільшення маси швидкозагартованого сплаву - послідовного, безперервного гартування малих порцій розплаву. Гартування речовини із розплаву при визначених умовах дозволяє отримувати некристалічні (аморфні) матеріали. Розподіл матеріалів на кристалічні та некристалічні базується на наявності або відсутності трансляційної симетрії.
Результати аналізу взаємодії матеріалів дозволяють намітити найбільш раціональні технологічні прийоми та методи регулювання властивостей покриттів. Ці методи можна розділити на термічні і фізико-хімічні.
Таке розподілення умовне, оскільки усі фізичні, хімічні, теплові та інші процеси при нанесенні покриттів тісно взаємозалежні, але й лише підкреслює, який із параметрів є головним для регулювання властивостей покриття у даному конкретному випадку.
Давно відома і широко застосовується абразивно-струменева обробка поверхні перед напиленням. Така підготовка, по-перше, очищає поверхню та виводить її зі стану термодинамічної рівноваги із середовищем, звільнюючи межатомні зв'язки поверхневих атомів, тобто хімічно активує поверхню основи. Активність основи швидко знижується через хімічну адсорбцію газів з атмосфери й окислювання. Тому проміжок часу між очищенням і нанесенням покриття повинен бути мінімальним і не перевищувати 1... 3 години.
Попередня підготовка поверхні механічними методами впливає не тільки на стадію активації, але й різко підвищує швидкість дифузії у контакті між матеріалом покриття й основою. Внаслідок обробки поверхневий шар насичується структурними дефектами і набуває аномальних фізико-хімічних властивостей. Дефекти структури, які виникають після механічної обробки поверхні, дуже стійкі і впливають на дифузію навіть при температурі, вище температури рекристалізації.
Нанесення легкоплавкого метала на поверхню виробу є також одним із способів попередньої підготовки поверхні під напилення. При виготовленні абразивного інструменту це дозволяє збільшити міцність зчеплення твердих напилених частинок абразиву, які підплавляють легкоплавкий метал при напиленні, і припаюються до основи.
Різновидом цього способу є нанесення покриття плакованими порошками, у яких кожна частинка являє собою ядро, покрите металевою оболонкою. Як оболонку використовують нікель, хром, мідь, алюміній і інші метали. Залежно від призначення покриття ядром частинок можуть бути оксиди, карбіди, нітриди чи абразивні матеріали. Метал оболонки при нагріванні плавиться, обтікає тверду частинку при ударі об основу, і припаює ії до поверхні основи. Іншою функцією металевої оболонки є захист ядра від шкідливого хімічного впливу оточуючого середовища. Тому цей метод нанесення покриття плакованими порошками відноситься до фізико-хімічних.
Для підвищення хімічної активності основи із оксидів можна застосовувати легування їх поверхні оксидами з низькою енергією зв'язку, такими як оксиди ВаО, СаО та ін. Оксиди з низькою енергією зв'язку знижають енергію активації процесу взаємодії напилених частинок з поверхнею основи.
З аналізу утворення сил зв'язку покриття з основою випливає ряд напрямів підвищення міцності зчеплення газотермічних покриттів.
1. Збільшення імпульсного тиску Рімп.
Збільшення Рімп знижує значення необхідної енергії активації, оскільки хвилі, що утворюються у зоні співудару в поверхневих шарах основи сприяють очищенню її поверхні і деформації приповерхневих об'ємів, активації поверхневих атомів тощо. Реалізується збільшення Рімп, за рахунок використання надзвукових струменів.
2. Зниження енергії активації Еа.
Зниження енергетичного бар'єру у процесі утворення сил зчеплення може бути досягнуто за рахунок введення додаткової енергії у зону взаємодії. Це реалізується згаданими вище способами підготовки поверхонь. Одним із шляхів реалізації цього напряму є також використання ультразвукової обробки.
3. Підвищення температури в контакті частинки з основою Тк.
Може бути реалізовано шляхом підвищення температури основи з одночасним попередженням окислення поверхні (оскільки це приводить до значного зростання Еа), що практично може бути здійснено створенням захисного середовища у зоні напилення (вакуум, інертний газ) чи при використанні спеціальних захисних насадок. Підвищення Тк при нарощуванні шару покриття в результаті взаємодії напилених частинок може бути досягнуте також шляхом збереження тепловмісту поверхні напилених частинок до розплавленого стану за рахунок скорочення інтервалу часу між попаданням у дану точку поверхні окремих частинок.
З цього факту випливають напрями підвищення когезійної міцності покриття:
1. Збільшення годинної витрати порошка Gn.
Це означає, що використання установок з високою продуктивністю при забезпеченні необхідного нагріву частинок дозволяє підвищити і якість покриття.
2. Збільшеня ступеню деформації частинок R/h.
Це досягається за рахунок підвищення кінетичної енергії частинок, що також пов'язано з використанням надзвукових струменів.
3. Застосування порошків меншої дисперсності d.
4. Зниження інтенсивності охолодження частинок.
На цей фактор впливає як підвищення температури основи зі скороченням швидкості відводу тепла від частинки, так і наявність зовнішнього джерела тепла з підігрівом поверхні шару. Таким джерелом може бути сам високотемпературний газовий струмінь, особливо при напиленні на малих дистанціях.
5. Збільшення коефіцієнта зосередженості матеріалу у плямі напилення.
У зв'язку з важливістю цього фактора все більше уваги приділяється до оптимізації фігури металізації і способів керування нею, зокрема, за рахунок конструкцій плазмотронів, пальників і систем подачі порошку.
|
|
|
