Газоплазменное напыление металлов

Газоплазменное напыление металлов – Справочник металлиста

Газоплазменное напыление металлов

Напыление металлов позволяет улучшить характеристики деталей, работающих в условиях, связанных сильным изнашиванием и механическими концентрированными нагрузками. Металлизация поверхностей повышает устойчивость и увеличивает срок службы.

Кроме решения технических задач, напыление используется во время производства декоративных изделий, бижутерии, в пищевой, фармацевтической и химической промышленностях.

Для напыления могут применяться различные металлы, конкретный выбор зависит от технического задания.

Химическое хромирование

Используется для обработки деталей со сложной геометрической формой, процесс основан на восстановлении хрома из растворов солей при помощи гипофосфита натрия. Осадок имеет серый цвет, блеск приобретается после полирования. Химическое хромирование протекает в ваннах с таким составом растворов.

Состав растворов для химического хромирования

  1. Фтористый хром, г — 17
  2. Хлористый хром, г — 1,2
  3. Лимоннокислый натрий, г — 8,5
  4. Гипофосфит натрия, г — 8,5
  5. Вода, л — 1
  6. Температура, °С — 70-87

Хромированная деталь

Скорость процесса хромирования может достигать 2,5 мкм/ч, для изготовления ванн используется устойчивый пластик. Металлизация сопровождается выделением ядовитых химических соединений, растворы негативно влияют на кожу людей.

Во время производства работ следует соблюдать правила техники безопасности, для очистки воздушной среды устанавливается принудительная вентиляция.

Мощность вентиляции рассчитывается исходя из объема помещения или рабочей зоны с учетом минимальной кратности обмена.

На промышленных предприятиях монтируется вентиляция пластиковая, она позволяет выдерживать рекомендованные технологические параметры при минимальных финансовых потерях. Для промышленного хромирования химическим методом применяются специально разработанные растворы с улучшенными показателями.

Промышленные растворы для химического хромирования

При приготовлении растворов первым растворяется хлористый хром. Затем согласно схеме могут растворяться лимонно-кислый натрий и фтористый хром. Для ускорения химических процессов в состав добавляется щавелевая кислота.

Ионы хрома образуют с ней химически активный ион, скорость покрытия возрастает до 7 мкм/ч и более. Процентное содержание ингредиентов корректируется технологами с учетом поставленных конечных задач по обработке деталей.

Для получения расчетного покрытия необходимо выполнять следующие требования:

  1. Качественная подготовка поверхностей. Детали очищаются механическим и химическим способами, при необходимости поверхности шлифуются.
  2. Оборудование должно обеспечивать максимальную автоматизацию процесса для исключения вредного влияния человеческого фактора.
  3. Постоянный контроль за состоянием раствора, фильтрование, поддержание заданной концентрации, своевременная замена катода.

Нарушение рекомендованной технологии может становиться причиной отслоений покрытий или образования глубоких раковин. Необходимость исправления дефектов приводит к значительному увеличению себестоимости производства.

Линия химического хромирования

Визуальный контроль химических процессов производится за счет определения количества выделяемого водорода, технологи рекомендуют для улучшения процесса одновременно покрывать детали из нескольких металлов. Слишком интенсивное выделение водорода может становиться причиной появления раковин, скорость процесса регулируется в каждом конкретном случае.

Газоплазменное напыление

Газоплазменное напыления позволяет получать чистое покрытие с высокими показателями адгезии. Процесс протекает при температурах до +50 000°С, скорость струи оставляет 500 м/с, температура поверхности обрабатываемой детали составляет не более +200°С.

Газоплазменное напыление металлов

Шероховатость поверхности напыляемых деталей до 60 Rz, зона обдува должна на 2–5 мм превышать номинальный размер напыляемого участка. Для работы используются порошки одной фракции по размерам, необрабатываемые участки детали закрываются специальными экранами. Перед процессом поверхность деталей предварительно прогревается до рабочих технологических температур.

Режимы работы оборудования при газоплазменном напылении

Технология напыления

Схема оборудования для напыления

Оборудование для порошкового напыления состоит из подвода газа (1), катода плазмотрона (2), корпуса катода (3), теплоизолятора (4), корпуса анода (5), порошкового питателя (6), подвода газа-носителя (7), плазменной дуги (8) и источника питания (9).

Газоплазменное напыление допускает финишную обработку покрытий для улучшения характеристик деталей, в таком случае толщина покрытия должна учитывать механическую шлифовку.

Напыление в вакууме

Перенос напыляемых металлов выполняется при разрежении 10-2 Па, напыление может быть катодным, магнетронным или ионно-плазменным. Вакуум увеличивает прочность сцепления поверхностей. Оборудование для технологии может быть многокамерным или многопозиционным однокамерным.

Первые линии состоят из нескольких установок, в каждой из которых выполняется определенное напыление металлов, агрегаты между собой соединены технологическими линиями для транспортировки деталей. Многопозиционные имеют несколько отдельных постов для напыления в одном объеме.

Вакуумное напыление производится по следующим этапам:

  1. Создание вакуума заданной глубины. Мощные компрессоры откачивают воздух из камеры, металлизация контролируется автоматическими приборами.
  2. Распыление покрывающего материала. В зависимости от особенностей процесса напыление металлов может выполняться несколькими способами.
  3. Транспортировка деталей в зависимости от их состояния.

Установка вакуумного напыления

Технологические определенияВакуумное напыление – сложный технологический процесс, зависящий от нескольких параметров:

  1. Критическая температурная точка напыления. Выше этого значения весь объем направляемых частиц отражается от поверхности детали, напыление металлов приостанавливается. Параметр зависит от металла детали, состояния ее рабочей поверхности и свойств напыляемых материалов.
  2. Критическая плотность давления. Минимальная плотность, при которой осадочная пленка адсорбируется и становится неспособной принимать атомы металла, напыление прекращается. Контроль критической плотности в установках выполняется непрерывно, при необходимости параметры условий корректируются. В зависимости от состава пленки могут быть моно- или поликристаллическими и аморфными.

Для повышения производительности вакуумное оборудование комплектуется механизмами автоматизированной транспортировки деталей в камеру и из нее, экранами и манипуляторами, заслонками и прочими механизмами. Напыление осуществляется в полуавтоматическом режиме.

Использование вакуумного оборудования позволяет получать напыление металлов с максимальным коэффициентом адгезии, увеличивается скорость протекания процесса, покрытия отличаются повышенной твердостью и химической устойчивостью. Недостаток – высокая энергоемкость процесса. Кроме того, вакуумное напыление не рекомендуется использовать для деталей со сложным профилем поверхностей.

Плазменное напыление металла

Плазменное напыление (или, другими словами – диффузионная металлизация) эффективный способ изменения физико-механических свойств, а также структуры основной поверхности. Поэтому он часто используется с декоративными целями, и для увеличения стойкости конечного продукта.

Плазменное напыление металла

Принцип плазменного напыления

Как и традиционные методы поверхностных покрытий, при диффузионной металлизации происходит осаждение на поверхности металла слоя другого металла или сплава, который обладает необходимыми для последующего применения детали свойствами – нужным цветом, антикоррозионной стойкостью, твёрдостью. Отличия заключаются в следующем:

  1. Высокотемпературная (5000 — 6000 °С) плазма значительно ускоряет процесс нанесения покрытий, который может составлять доли секунд.
  2. При диффузионной металлизации в струе плазмы в поверхностные слои металла могут диффундировать также химические элементы из газа, где проводится обработка. Таким образом, регулируя химический состав газа, можно добиваться комбинированного поверхностного насыщения металла атомами нужных элементов.
  3. Равномерность температуры и давления внутри плазменной струи обеспечивает высокое качество конечных покрытий, чего весьма трудно достичь при традиционных способах металлизации.
  4. Плазменное напыление отличается чрезвычайно малой длительностью процесса. В результате не только повышается производительность, но также исключается перегрев, окисление, прочие нежелательные поверхностные явления.

Рабочие установки для реализации процесса

Поскольку чаще всего для инициации высокотемпературной плазмы используется электрический разряд – дуговой, искровой или импульсный – то применяемое для такого способа напыления оборудование включает:

  • Источник создания разряда: высокочастотный генератор, либо сварочный преобразователь;
  • Рабочую герметизированную камеру, где размещается подвергаемая металлизации заготовка;
  • Резервуар для газа, в атмосфере которого будет производиться формирование высокотемпературной плазмы;
  • Насосной или вакуумной установки, обеспечивающей необходимое давление для прокачки рабочей среды или для создания требуемого разрежения;
  • Системы управления за ходом протекания процесса.

Работа плазмотрона, выполняющего плазменное напыление, происходит так. В герметизированной камере закрепляется напыляемая деталь, после чего между поверхностями рабочего электрода (в состав которого входят напыляемые элементы) и заготовкой возбуждается электрический разряд. Одновременно через рабочую зону с требуемым давлением прокачивается жидкая или газообразная среда.

Напыление металлов – все способы и необходимое оборудование

Газоплазменное напыление металлов

Напыление металлов позволяет улучшить характеристики деталей, работающих в условиях, связанных сильным изнашиванием и механическими концентрированными нагрузками. Металлизация поверхностей повышает устойчивость и увеличивает срок службы.

Кроме решения технических задач, напыление используется во время производства декоративных изделий, бижутерии, в пищевой, фармацевтической и химической промышленностях.

Для напыления могут применяться различные металлы, конкретный выбор зависит от технического задания.

Технология напыления металлов: основные способы металлизации изделий

Газоплазменное напыление металлов

Производство металлических изделий модернизируется по мере развития передовых технологий.

Металл в большей степени подвержен воздействию влаги, поэтому для обеспечения высокого срока эксплуатации и придания деталям, рабочим механизмам и поверхностям требуемых свойств, в современной промышленности широко используют напыление металлов.

Технология порошковой обработки заключается в нанесении на базовую металлическую основу защитного слоя, обеспечивающего высокие антикоррозийные характеристики напыляемых изделий.

Задачи и варианты напыления

Металлическая поверхность после порошковой обработки приобретает важные защитные свойства. В зависимости от назначения и области применения, металлическим деталям придают огнеупорные, антикоррозийные, износостойкие характеристики.

Основная цель напыления базовой основы из металла – обеспечить продолжительный эксплуатационный ресурс деталей и механизмов в результате воздействия вибрационных процессов, высоких температур, знакопеременных нагрузок, влияния агрессивных сред.

Процессы напыления металлов выполняют несколькими способами:

  • Вакуумная обработка – материал при сильном нагревании в вакуумной среде преобразуется в пар, который в процессе конденсации осаживается на обрабатываемой поверхности.
  • Плазменное или газоплазменное напыление металла – в основу метода обработки положено использование электродуги, образующейся между парой электродов с нагнетанием инертного газа и ионизацией.
  • Газодинамический способ обработки – защитное покрытие образуется при контакте и взаимодействии микрочастиц холодного металла, скорость которых увеличена ультразвуковой струей газа, с подложкой.
  • Напыление лазерным лучом – генерация процесса происходит с использованием оптико-квантового оборудования. Локальное лазерное излучение позволяет проводить обработку сложных деталей.
  • Магнетронное напыление – выполняется при воздействии катодного распыления в плазменной среде для нанесения на поверхность тонких пленок. В технологии магнетронных способов обработки используются магнетроны.
  • Защита металлических поверхностей ионно-плазменным способом – основана на распылении материалов в вакуумной среде с образованием конденсата и осаждением его на обрабатываемой основе. Вакуумный метод не дает металлам нагреваться и деформироваться.

Технологический метод напыления деталей, механизмов, поверхностей из металла подбирают, в зависимости от характеристик, которые нужно придать напыляемой основе. Поскольку метод объемного легирования экономически затратный, в промышленных масштабах широко используют передовые технологии лазерной, плазменной, вакуумной металлизации.

Напыление в магнетронных установках

Металлизация поверхностей по технологии магнетронного напыления основана на расплавлении металла, из которого выполнена мишень магнетрона. Обработка происходит в процессе ударного действия ионами рабочей газовой среды, сформированными в плазме разряда. Особенности использования магнетронных установок:

  • Основными элементами рабочей системы являются катод, анод, магнитная среда, которая способствует локализации плазменной струи у поверхности распыляемой мишени.
  • Действие магнитной системы активизирует использование магнитов постоянного поля (самарий-кобальт, неодим), установленных на основании из магнитомягких материалов.
  • При подаче напряжения от источника электропитания на катод ионной установки происходит распыление мишени, причем силу тока нужно поддерживать на стабильно высоком уровне.
  • Магнетронный процесс основан на использовании рабочей среды, которой выступает соединение инертных и реакционных газов высокой чистоты, подающихся в камеру вакуумного оборудования под давлением.

Преимущества магнетронного напыления позволяют применять данную технологию обработки для получения тонких пленок металлов. Например, алюминиевые, медные, золотые, серебряные изделия. Происходит формирование пленок полупроводников – кремний, германий, карбид кремния, арсенид галлия, а также образование покрытий диэлектриков.

Главное достоинство магнетронного метода – высокая скорость распыления мишени, осаждения частиц, точность воспроизведения химического состава, отсутствие перегрева обрабатываемой детали, равномерность нанесенного покрытия.

Использование при напылении магнетронного оборудования дает возможность обрабатывать металлы и полупроводники с высокой скоростью осаждения частиц, создавать на напыляемой поверхности тонкие пленки с плотной кристаллической структурой, высокими адгезивными свойствами. К основному перечню работ по магнетронной металлизации относятся хромирование, никелирование, реактивное напыление оксидов, карбо- и оксинитридов, сверхскоростная наплавка меди.

Технология ионно-плазменной наплавки

Чтобы получать многомикронные покрытия на изделиях из металла, широко используют метод ионно-плазменного напыления. Он основан на использовании вакуумной среды и физико-химических свойств материалов испаряться и распыляться в безвоздушном пространстве.

Технологически сложный процесс позволяет решать важные технические задачи по металлизации изделий благодаря использованию установки ионно-плазменного напыления:

  • Увеличение параметров износоустойчивости, исключение спекания при эксплуатации изделий в условиях высоких температур.
  • Повышение коррозийной устойчивости металлов при эксплуатации в агрессивных водных, химических средах.
  • Придание электромагнитных свойств и характеристик, эксплуатация в границах инфракрасного и оптического диапазона.
  • Получение высококачественных гальванических покрытий, придание изделиям декоративно-защитных свойств, обработки деталей и механизмов, используемых в разных отраслях промышленности.

Процесс ионно-плазменного напыления базируется на использовании вакуумной среды.

После поджига катода формируются пятна первого и второго уровня, которые перемещаются с высокой скоростью и образуют плазменную струю в ионном слое.

Полученная в результате эродирования катодов струя проходит через вакуумную среду и вступает во взаимодействие с конденсируемыми поверхностями, осаживаясь плотнокристаллическим покрытием.

Использование ионно-плазменного напыления позволяет наносить защитные покрытия при температуре поджига катода до 100°C, отличается достаточно простой схемой получения слоев толщиной до 20 мкм.

С помощью ионно-плазменного напыления на металл удается придавать требуемые свойства конструктивно сложным изделиям нестандартной геометрической формы. После обработки металлическую поверхность не требуется покрывать финишным слоем.

Особенности плазменной металлизации

Наряду с ионно-плазменным напылением и магнетронными способами обработки металлов применяют еще один метод – плазменная металлизация. задача технологии – защита изделий от окислительных процессов в агрессивных средах, повышение эксплуатационных качеств, упрочнение обрабатываемой поверхности, усиление сопротивляемости механическим нагрузкам.

Плазменное напыление алюминия и других металлов основано на высокоскоростном разгоне металлического порошка в потоке плазмы с осаждением микрочастиц в виде покрывающего слоя.

Особенности и преимущества технологии плазменного напыления на металл:

  • Высокотемпературный метод нанесения защитного слоя на обрабатываемую поверхность (порядка 5000-6000 °C) происходит за доли секунд.
  • Используя методы регулирования газового состава, можно получать комбинированное насыщение металлической поверхности атомами порошковых покрытий.
  • Благодаря равномерности потока плазменной струи удается получать одинаково пористое, качественное покрытие. Конечная продукция превосходит результаты традиционных способов металлизации.
  • Длительность процесса напыления невысока, что помогает достичь стопроцентной экономической эффективности использования плазменного оборудования в разных производственных масштабах.

Основные компоненты рабочей установки – высокочастотный генератор, камера герметизации, резервуар газовой среды, насосная установка для подачи давления, система управления.

Использовать технологию плазменного напыления на металл допускается в домашних условиях при наличии необходимого оборудования с вакуумной камерой – воздействие кислорода приводит к окислению горячих металлических поверхностей и мишени.

На видео: восстановление деталей напылением.

Процесс лазерной обработки

Наплавка металлов лазерным методом позволяет восстанавливать детали и механизмы потоками света, генерируемыми от оптико-квантового оборудования. Вакуумное напыление лазером является одним из наиболее перспективных методов получения наноструктурированных пленок. В основу процесса положено распыление мишени световым лучом с последующим осаждением частиц на подложке.

Преимущества технологии: простота реализации металлизации, равномерное испарение химических элементов, получение пленочных покрытий с заданным стехиометрическим составом. Благодаря узкой направленности лазерного потока в месте его сосредоточения удается получить наплавку изделия любыми металлами.

Механизмы формирования жидкокапельных фаз:

  • Крупные капли частиц расплавленной мишени образуются путем воздействия гидродинамического механизма. При этом диаметр крупных капель варьируется в диапазоне 1-100 мкм.
  • Капли среднего размера формируются вследствие процессов объемного парообразования. Размер капель колеблется в диапазоне 0,01-1 мкм.
  • При воздействии на мишень коротких и частых импульсов лазерного луча в эрозийном факеле образуются частицы мишени небольшой величины – 40-60 нм.

Если в лазерной установке при наплавке металлов на мишень одновременно действуют все три механизма рабочего процесса (гидродинамика, парообразование, высокочастотный импульс), приобретение изделием требуемых характеристик зависит от величины влияния конкретного механизма наплавки.

Одно из условий качественной лазерной обработки – воздействие на мишень таким режимом облучения, чтобы на выходе получить лазерные факелы с наименьшим включением жидкокапельных частиц.

Оборудование для холодного напыления

Существует два варианта защиты металлов от негативного воздействия внешних и рабочих факторов – легирование и напыление с вакуумным оборудованием. То есть, в сплав добавляют атомы химических элементов, придающих изделиям требуемые характеристики, или наносят на базовую поверхность защитное покрытие.

Чаще всего в отрасли металлизации используют технологию нанесения гальванических покрытий, применяют методы погружения деталей в расплав, задействуют в процессах обработки вакуумную среду, пользуются магнетронным оборудованием.

Иногда используют детонационно-газовое напыление, которое разгоняет частицы до невероятных скоростей. Широко применяют плазмотроны, электродуговую металлизацию, газопламенную обработку, ионное напыление.

Задачи промышленности диктуют свои условия, и перед инженерами возникла необходимость создать недорогое, простое в обращении оборудование, для которого можно использовать свойства нагретого сжатого воздуха.

Появилось понятие порошковой металлизации с добавлением в металлический порошок мелкодисперсионной керамики либо частиц твердого металла. Используется для работы с алюминием, никелем, медью.

Результат экспериментов превзошел ожидания, позволив решить следующие задачи:

  • Нагревание сжатого воздуха в камере приводит к повышению давления, что вызывает увеличение скорости вытекания наплава из сопла в установках.
  • При наборе металлическими частицами в газовой среде высокой скорости они ударяются о подложку, размягчаются и прикипают к ней. А керамические частицы уплотняют образовавшийся слой.
  • Использование порошковой технологии подходит для металлизации пластичных металлов – медь, алюминий, никель, цинк. После напыления изделия можно поддавать механической обработке.

Благодаря успешной работе инженеров удалось создать переносной аппарат, позволяющий выполнять металлизацию покрытий на всех промышленных предприятиях и в домашних условиях. Требования для успешной работы оборудования – наличие компрессорной установки (или воздушной сети) с давлением сжатого воздуха в пять-шесть атмосфер и электропитание.

В таблице ниже приведены данные для хромирования алюминия в домашних условиях. Перед нанесением гальванического покрытия требуется «положить» на деталь промежуточный металлический слой, а потом выполнять напыление алюминия.

Таблица 1. Хромирование алюминия

Использование передового оборудования для металлизации изделий позволяет решить технические вопросы, связанные с повышением антикоррозийных, прочностных, эксплуатационных характеристик, а также приданием машинам, деталям и механизмам требуемых свойств для работы в сложных эксплуатационных условиях.

Рекомендуем прочитать:

Газопламенное напыление и металлизация

Газоплазменное напыление металлов

Нагрев присадочного материала при газопламенном напылении и металлизации осуществляется за счет теплоты, выделяемой в результате сгорания различных горючих газов (ацетилена, пропан-бутана, природного газа и др.) в среде кислорода.

Из горючих газов наибольшее применение получил ацетилен, сгорание которого в смеси с кислородом позволяет получать температуру пламени порядка 3100-3200 °С, что на 500-800 °С выше температуры его заменителей (табл. 3.5).

Типы пламени

В зависимости от соотношения горючего вещества и кислорода газовое пламя подразделяют на:

  • окислительное – с избытком кислорода;
  • нормальное – при паритетном соотношении горючего вещества и кислорода;
  • восстановительное – с избытком горючего газа.

Тип газового пламени, используемый при напылении, выбирается в зависимости от химического состава напыляемого металла (табл. 3.6).

Таблица 3.5. Термодинамические характеристики газовых смесей.

Параметры

Горючий газ

Ацетилен
С2Н2

Водород
Н2

Метан
СН4

Пропан
С3Н8

Бутан
С4Н10

Теплотворная способность, кДж/м3

52 800

10 060

33 520

87 150

116 480

Температура пламени в смеси с кислородом, °С

3100-3200

2100-2500

2000-2700

2400-2700

2400-2700

Удельный расход кислорода, мм3

2,5

0,5

2,03

5,15

6,8

Мощность пламени выбирают в зависимости от размеров детали. При напылении стальных деталей применяют восстановительное (нормальное) или науглероживающее (с небольшим избытком ацетилена) пламя.

Перед началом напыления деталь подогревают до температуры 50-100 °С. В процессе напыления необходимо следить, чтобы поверхность напыляемой детали не нагревалась выше 250 °С.

Температуру можно контролировать с помощью термочувствительных карандашей.

По виду присадочного материала газопламенное напыление и металлизацию подразделяют на:

  • металлизацию стержневыми присадочными материалами;
  • порошковое напыление.

Проволочные распылители

Первый газопламенный проволочный распылитель разработал в 1913 г. М.У. Шооп.

Стержневой присадочный материал с помощью механизма подачи направляется через центральное отверстие горелки в высокотемпературную зону пламени, где нагревается до температуры плавления.

Полученная капля жидкого металла с его торца распыляется сжатым воздухом и в виде мелких частиц переносится на поверхность детали (рис. 3.6).

Таблица 3.6. Характеристики газопламенного напыления.

Распыляемый материал

Дистанция напыления, мм

Вид пламени

Ручное

Механизированное

Нержавеющая сталь

80-150

150-250

Нейтральное

Высокоуглеродистая сталь

180-200

250-300

Нейтральное

Бронза

100-150

180-250

Слегка окислительное

Алюминий

100-150

180-250

Слегка восстановительное

Цинк

280-360

400-500

Нейтральное

Молибден

80-130

200-300

10% – окислительное

Рис. 3.6. Схема проволочного распылителя:
1 – воздушное сопло; 2 – газовое сопло; 3 – пруток; 4 – направляющая трубка.

В качестве стержневого присадочного материала используют прутки, проволоки и шнуровые материалы.

Прутковые материалы используются при напылении керамики. Прутки изготавливают из оксидов или карбидов металлов со связующим на жидком стекле диаметром до 8,0 мм. частиц твердых фаз в прутке может достигать 95 %.

При нагреве прутка связующее выгорает, а зерна твердой фазы подаются на поверхность изделия. Основным недостатком использования керамики является прерывистость процесса, влияющая на качество поверхности покрытия.

Наряду с прутковыми материалами используются и трубчатые полые стержни, заполненные зерновым релитом.

Распылитель для прутковых материалов имеет дополнительное воздушное сопло, направляющее воздух в радиальном направлении в зону плавления керамического стержня, где осевая скорость частиц невелика.

«Загибающий» воздух дробит относительно крупные (100-160 мкм) расплавленные частицы на более мелкие (20-40 мкм) и направляет их под углом 45-50° к поверхности изделия. Дистанция напыления составляет 50 мм.

Осевое расположение распылителя и малая дистанция напыления позволяли наносить покрытия на внутреннюю поверхность трубы диаметром 100 мм.

Проволока для напыления применяется диаметром от 0,8 до 2,0 мм и изготавливается из различных материалов (коррозионно-стойкие и углеродистые стали, латуни, бронзы, баббиты, Al, Cu, Mo, Zn, Sn, Pb, сплавы на никелевой и кобальтовой основах). Производительность напыления и металлизации проволокой из цветных металлов – до 15 кг/ч, из стали и сплавов – до 9 кг/ч. Расход кислорода – 50 л/мин, расход ацетилена или пропана – до 20 л/мин. Давление воздуха – 0,5 МПа.

При газопламенном проволочном напылении в получаемом покрытии содержится меньше оксидов, чем при порошковом напылении. Это имеет особо важное значение для получения коррозионно-стойких покрытий с низкой пористостью.

Для снижения степени окисления присадочного материала камеру сгорания приближают к выходному отверстию сопла.

Однако относительно малая скорость движения частиц при газопламенном напылении проволокой не обеспечивает формирования высокоплотного покрытия.

В последние десятилетия наряду с проволоками все большее применение находят шнуровые присадочные материалы. Прочность и эластичность гибких шнуров позволяет пользоваться ими так же, как и проволокой и наносить покрытия с помощью газопламенных аппаратов проволочного типа.

Шнуровые материалы состоят из органического связующего, составляющего оболочку, и порошкового наполнителя, включающего высокотвердые компоненты и соединения, обеспечивающие протекание экзотермических реакций и синтезирование новых фаз в процессе напыления. Это позволяет повысить показатели адгезионной и когезионной прочности.

В шнуровых материалах используют порошковые наполнители на основе самофлюсующихся сплавов систем Ni(Co)-Cr-B-Si и в смесях с карбидом вольфрама или оксидами алюминия, титана, хрома, циркония.

Шнуры производятся диаметром от 4,0 и 7,0 мм и размером зерен литого карбида вольфрама в диапазоне от 0,1 до 2,5 мм, причем для конкретных видов изнашивания применяются специальные комбинации мелкозернистого и крупнозернистого карбида вольфрама.

Равномерное распределение зерен карбидов в порошковом шнуре обеспечивает наиболее благоприятное их расположение на напыляемой поверхности, что приводит к повышению износостойкости наплавленного слоя (рис. 3.7).

Матрица наплавленного слоя, представляющая собой никелевый самофлюсущийся сплав системы Ni-Cr-B-Si, обеспечивает хорошее смачивание зерен карбидов, обладает низкой температурой плавления (950-1050 °С), имеет высокую текучесть и отличается высокой стойкостью к воздействию кислот, щелочей и других коррозионно-активных сред.

Рис. 3.7. Технология ручной газопламенной наплавки шнурового материала «Сфекорд-HR».

Порошковый распылитель

Напыление порошками позволяет в широких пределах регулировать состав наносимых покрытий. В зависимости от места подвода порошка в горелку и его транспортирования в зону пламени газопорошковое напыление подразделяют на два способа.

  1. Порошок из питателя (рис. 3.8) поступает в центральный канал горелки, захватывается транспортирующим газом и подается в факел ацетиленокислородного пламени, струей которого оплавляется и направляется на поверхность детали, образуя заданный слой покрытия.

Рис. 3.8. Схема газопламенного напыления с вводом порошка в зону пламени транспортирующим газом:
1 – сопло; 2 – пламя; 3 – покрытие; 4 – деталь; 5 – кислород и горючий газ; 6 -транспортирующий газ; 7 – напыляемый порошок

Порошковая струя окружена кольцом пламени. При перемешивании струй пламени и газопорошковой взвеси происходит теплообмен. Частицы нагреваются до температуры плавления и переносятся на поверхность детали.

  1. Порошок из бункера (рис. 3.9) подается с внешней стороны мундштука в зону пламени, где его частицы оплавяются и направляются газовым потоком на поверхность напыляемой детали.

Применение при первом способе напыления транспортирующего газа, обычно инертного, для подачи порошка позволяет уменьшить его окисление, однако усложняется схема подачи и конструкция газовой горелки. Второй способ характеризуется большей простотой оборудование и облегчается выбор оптимального режима.

Наиболее качественные покрытия получаются при первоначальном напылении подслоя термореагирующим порошком толщиной 0,05-0,15 мм, а затем основного слоя износостойким порошковым сплавом толщиной 2 мм. Подслой и основной слой наносят при одних и тех же режимах напыления:

  • давление кислорода 0,35-0,45 МПа;
  • давление ацетилена 0,03-0,05 МПа;
  • расход кислорода 960-1100 л/ч;
  • расход ацетилена 900-1000 л/ч;
  • расстояние от среза сопла мундштука до наплавляемой поверхности 160-200 мм;
  • продольная подача 3-5 мм/об;
  • расход порошка 2,5-3 кг/ч.

Рис. 3.9. Схема газопламенного напыления с внешним вводом порошка.

Процесс газопламенного напыления можно проводить с одновременным оплавлением, что возможно лишь газовым пламенем. Плазменная струя из-за интенсивного неравномерного нагрева напыленного слоя не обеспечивает получения качественного покрытия. Напыление с одновременным оплавлением рекомендуется выполнять в такой последовательности:

  • подогреть всю деталь до температуры 250-300 °С;
  • на восстанавливаемые поверхности для их защиты от последующего окисления напылить слои толщиной 0,2-0,3 мм;
  • напыленный участок поверхности нагреть до состояния «запотевания», что характерно для процесса оплавления;
  • на предварительно оплавленный слой нанести новый, доводя его до состояния оплавления.

В процессе оплавления важно не допустить перегрева напыленного слоя до состояния жидкой ванны, а после оплавления обеспечить медленное охлаждение детали (в песке, асбесте, печи).

Перегрев приводит к стеканию металла, образованию пор, а быстрое охлаждение – к возникновению трещин, к отслаиванию.

Для восстановления деталей этим способом наиболее рационально применять порошковые сплавы ПГ-ЮН-01, ПГ-ЮН-03, ПГ-СРЗ, ПГ-СР4. Толщина напыленного слоя может доходить до 3 мм.

Высокоскоростное напыление

Высокоскоростное газопламенное напыление появилось в начале 80-х годов прошлого века и характеризуется скоростью газового потока до 1000 м/с. Плотность покрытий достигает 99 %. Увеличение скорости частиц при меньшей их температуре позволило снизить уровень окисленности напыляемого металла и повысить плотность порошкового покрытия.

В качестве наносимого материала используют порошки карбидов, металлокарбидов, сплавов на основе Ni, Cu и др. Для увеличения скорости частиц увеличивают скорость истечения продуктов сгорания путем повышения давления в камере сгорания до 1,0—1,5 МПа. На рис. 3.10 представлена схема высокоскоростного распылителя системы ВСН.

Рис. 3.10. Схема высокоскоростного порошкового распылителя:
1 – подача порошка (осевая); 2 – подача кислорода; 3 – подача топлива; 4 – подача порошка (радиальная); 5 – ствол.

Рис. 3.11. Сопла распылителя:
а – цилиндрическое; б – расширяющееся (сопло Лаваля)

В порошковых распылителях ВСН первого и второго поколений использовалось цилиндрическое сопло (рис. 3.11, а), а затем в конструкции соплового аппарата стало использоваться сопло Лаваля (рис. 3.11, б).

Для систем первого поколения давление в камере сгорания составляло 0,3-0,5 МПа, скорость частиц – 450 м/с для порошковых смесей системы WC-Co с грануляцией 10-45 мкм.

Для систем второго поколения давление в камере сгорания повысилось до 0,6-1,0 МПа, что привело к увеличению скорости движения частиц до 600-650 м/с. Расход порошка составил 10 кг/ч.

В системах третьего поколения с применением расширяющихся профильных сопел Лаваля расход порошка достигает 18 кг/ч.

Возможно Вас так же заинтересуют следующие статьи: by HyperComments

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.