Классификация методов создания поверхностных покрытий
К настоящему времени разработаны и используются десятки методов нанесения покрытий на поверхность деталей. Технологических способов реализации этих методов применительно к конкретным узлам и деталям значительно больше. Однако, несмотря на такое разнообразие существующих способов нанесения покрытий, их все можно укрупнено разделить на ряд групп, различающихся видом используемой энергии, обеспечивающей сцепление слоя с металлом детали. Различают (рис. 1.4):
- термические методы нанесения, оказывающие интенсивное тепловое воздействие на металл изделия и присадочный материал;
- термомеханические методы нанесения, сочетающие нагрев и механическое воздействие при формировании поверхностного слоя.
При этом соотношение этих двух энергетических составляющих может существенно различаться от преимущественно теплового воздействия до ярко выраженного силового воздействия.
- адгезионные методы нанесения, при которых взаимодействие присадочного материала с поверхностью детали протекает в результате реализации физической и химической адсорбции.
Различный уровень энергетического воздействия на металл детали и присадочный материал в процессе нанесения покрытия определяет значительные отличия в геометрических, механических и эксплуатационных характеристиках полученного слоя.
Термические методы покрытий
Термические способы нанесения покрытий базируются преимущественно на наплавочных технологиях. При наплавке металл, формирующий поверхностный слой, подвергается интенсивному нагреву, вызывающему его плавление. Формирование значительного объема жидкого металла, полученного в результате плавления металла детали и присадочного материала, является отличительной особенностью наплавочных процессов. Образующаяся жидкая фаза активно смачивает нерасплавившуюся поверхность детали, обеспечивая при последующей кристаллизации формирование единой кристаллической решетки.
Рис. 1.4. Классификация методов нанесения покрытий.
Наплавочные технологии обеспечивают максимальную прочность сцепления поверхностного слоя с основой детали, равную прочности монолитного металла. Высокая энергоемкость наплавочных процессов определяет их значительную производительность. Наплавкой получают поверхностные слои толщиной от 0,5 до 20 мм. Максимально возможная высота наплавленного слоя теоретически ничем не ограничена. Однако на практике слои толщиной более 20 мм не наплавляют.
В то же время интенсивный нагрев, свойственный наплавочным процессам, вызывает ряд отрицательных последствий. К числу таких последствий могут быть отнесены:
- неэффективный нагрев металла детали, не участвующего в формировании наплавленного слоя, что ограничивает минимальные размеры деталей, способных выдержать наплавочный процесс;
- разбавление высоколегированного присадочного металла низколегированным основным, что приводит к потере требуемых эксплуатационных характеристик;
- получение грубой чешуйчатой поверхности и значительный припуск на последующую механическую обработку.
Наплавочные технологии различаются по виду используемых источников нагрева. Электродуговые методы наплавки включают в свой состав широкий перечень технологий:
- ручная дуговая наплавка используется при нанесении высоколегированных покрытий на детали сложной конфигурации с толщиной стенки от 3 мм;
- электродуговая наплавка под флюсом применяется для деталей диаметром более 50 мм при повышенных требованиях к качеству наплавленного материала. Толщина наплавленного слоя изменяется от 2 до 10 мм;
- электродуговая наплавка в углекислом газе выполняется на деталях диаметром от 20 мм, работающих в различных условиях;
- электродуговая наплавка в среде инертных газов применяется для нанесения высоколегированных присадочных материалов, а также для восстановления деталей, изготовленных из коррозионно-стойких сталей, и цветных металлов. Этот способ дает возможность получать слои с более высокими механическими свойствами, особенно по ударной вязкости и сопротивлению усталости;
- вибродуговая наплавка используется для деталей малых размеров (диаметром от 10 мм) при наплавке слоев небольшой толщины от 0,5 до 3,0 мм, работающих в различных условиях.
Обеспечивает невысокий уровень сопротивления усталости, поэтому этот способ наплавки нельзя применять для восстановления деталей, испытывающих значительные динамические нагрузки, например коленчатых валов.
Плазменно-дуговая наплавка применяется при нанесении покрытий на ответственные детали при повышенных требованиях к износостойкости и сопротивлению усталости полученных слоев. Использует теплоту, выделяемую сжатой электрической дугой, совмещенной с плазменной струей, что обеспечивает высокую производительность процесса.
Газовая наплавка основана на использовании теплоты, выделяемой при сгорании горючего вещества в среде технически чистого кислорода. Относится преимущественно к ручным методам наплавки и применяется для цилиндрических и профильных поверхностей с местным износом при повышенных требованиях к износостойкости. Газовая наплавка используется, как правило, на деталях малой толщины, обеспечивая формирование небольших по высоте слоев.
Электрошлаковая наплавка является наиболее производительным методом наплавки и применяется для деталей со значительными износами, превышающими 6 мм по толщине. Формирование наплавленного слоя идет в один проход независимо от требуемой толщины слоя за счет теплоты, выделяемой при прохождении тока через ванну расплавленного шлака. Высокое тепловложение в деталь при электрошлаковой наплавке ограничивает область ее применения только крупногабаритными изделиями.
Лазерная и электроннолучевая наплавки относятся к технологиям, использующим высококонцентрированные источники нагрева. Это определяет высокие скорости нагрева, обеспечивающие минимальные размеры зоны термического влияния в металле детали, что позволяет вести наплавку на ответственные детали и детали со сложным профилем. Сверхбыстрое охлаждение наплавленного металла приводит к формированию поверхностных слоев с высоким уровнем твердости.
Индукционная или высокочастотная наплавка осуществляется путем нагрева присадочного материала и поверхности детали индукционными токами. Применяется для нанесения износостойких материалов на отдельные участки деталей при местных из-носах, например рабочие органы, лезвия, проушины и др.
Заливка жидким металлом тоже относится к термическим видам нанесения покрытий, при которых нагрев присадочного материала производится отдельно от детали. Применяется для деталей со значительными износами (не менее 3 мм) при повышенных требованиях к износостойкости и пониженных требованиях к ударной вязкости.
Термомеханические способы нанесения покрытий
Термомеханические способы создания поверхностных слоев совмещают в процессе их формирования и нагрев, и механическое усилие. Это позволяет снизить тепловложение в металл детали и сократить долевое участие основного металла в поверхностном слое. Кроме того, механическое воздействие способствует выходу газов в процессе формирования слоя, снижению его пористости и улучшению качества формирования поверхности детали.
Однако, сокращение тепловой энергии, вводимой в зону формирования поверхностного слоя, снижает степень разогрева присадочного материала и ухудшает его сцепление с поверхностью заготовки. В результате для значительной части технологий этой группы прочность сцепления поверхностного слоя с основой и внутри него получается существенно ниже монолитного металла. Часть металлических связей между частицами присадочного материала заменяется адгезионными. Увеличивается роль подготовки поверхности детали для обеспечения требуемого качества нанесения покрытий.
Технология
Технологии напыления характеризуются минимальным тепловложением в металл детали. Присадочный материал при этом нагревается до температур, обеспечивающих его пластифика цию, но плавление и переход в жидкую фазу при этом не происходят. В этом состоянии частицы присадочного материала с высокой скоростью переносятся на поверхность детали, где при соударении деформируются и образуют напыленные слои. Малое тепловложение в деталь при напылении позволяет наносить слои на мелкие изделия с малой толщиной стенки. При этом толщина напыленного слоя находится в пределах от 0,01 до 3,0 мм. Характерной особенностью напыления является то, что полученный слой, обладая высокими значениями твердости и износостойкости, не увеличивает прочность детали по сечению.
В зависимости от источника нагрева различают:
- газопламенное напыление порошковыми материалами (на ацетилене или пропан-бутане), применяемое для наружных и внутренних цилиндрических поверхностей неподвижных сопряжений при невысоких требованиях к прочности сцепления с основным материалом. При повышенных требованиях к прочностным свойствам напыленного слоя применяют дополнительное оплавление;
- плазменное напыление порошковыми материалами, формирующее высоколегированные слои на наружных и внутренних цилиндрических и плоских поверхностях;
- индукционное напыление, осуществляемое генератором тока высокой частоты и позволяющее создавать покрытия повышенной плотности при минимальном выгорании легирующих элементов;
- детонационное напыление, при котором основным энергетическим воздействием на присадочный материал является ударное воздействие. Это сводит к минимуму роль нагрева при нанесении покрытий, обеспечивает высокую плотность и качество напыленного слоя. Применяется при нанесении износостойких покрытий с особыми свойствами.
Технологии металлизации по своим характеристикам близки к технологиям напыления, однако обладают более интенсивным тепловым воздействием на присадочный материал. При металлизации присадочный материал нагревается до жидкого состояния и затем в виде капель с большой скоростью подается на поверхность изделия, вызывая ее некоторый разогрев. Перевод присадочного материала в жидкое состояние снижает пористость полученного слоя и увеличивает долю металлических связей при сцеплении с поверхностью детали и внутри слоя. Однако, полученная прочность таких слоев все равно уступает прочности монолитного металла.
В зависимости от источника нагрева различают электродуговую, газопламенную и плазменно-дуговую металлизацию. Технологическим отличием от аналогичных методов напыления является возможность применения в качестве присадочного материала проволок и прутков.
Электроконтактная наварка использует преимущественно термическое воздействие при формировании поверхностного слоя. При этом методе нанесения покрытий плавлению подвергается как присадочный материал, так и металл детали. Однако, объем расплавленного металла весьма невелик, а его кристаллизация протекает под действием механического усилия. Используемая в качестве присадочного материала лента подвергается нагреву и плавлению не по всей толщине, а только в месте контакта с поверхностью детали.
Кристаллизация зоны плавления формирует монолитное соединение между деталью и лентой, что обеспечивает высокую прочность сцепления поверхностного слоя с основой. Применяется для нанесения покрытий на гладкие цилиндрические и плоские наружные и внутренние поверхности. Толщину создаваемого слоя можно регулировать в пределах 0,2-1,5 мм, зона термического влияния не превышает 0,5 мм. К недостаткам следует отнести отсутствие сплавления в отдельных местах ленты с основным металлом, которое выявляется при шлифовании.
Технологии механо-термического формирования наряду с термическим фактором активно используют механическое воздействие внешней нагрузки, что в комплексе способствует получению слоя с более высоким качеством.
Адгезионные способы нанесения покрытий
Адгезионные (гальванические покрытия) получают путем осаждении требуемого металла на поверхность детали из раствора электролита с наложением электрического тока или без него. Гальванические процессы имеют ряд преимуществ:
- позволяют наносить тонкие покрытия равномерной толщины от 0,05 до 0,5 мм с различной твердостью и износостойкостью;
- не ухудшают структуру основного металла, поскольку он в процессе наращивания остается практически холодным;
- позволяют одновременно обрабатывать большую группу деталей.
В то же время этим способам присущи ряд недостатков такие, как значительная сложность и большой объем работ при выполнении технологических процессов восстановления деталей, низкая скорость электролитического осаждения, снижение сопротивления усталости деталей, загрязнение окружающей среды отходами производства. Гальванические покрытия отличаются адгезионным характером связи с основой. Это определяет их низкую прочность сцепления с поверхностью детали.
Наиболее широкое применение нашли процессы хромирования и железнения, никелирования, применяемые для наружных и внутренних поверхностей деталей с износом, не превышающим 0,2-0,5 мм, высокой поверхностной твердостью и при нежестких требованиях к прочности сцепления покрытия с основным металлом.
Возможно Вас так же заинтересуют следующие статьи:
Источник
Классификация покрытий
Введение
Физико-химические свойства поверхности оказывают влияние на усталостную прочность материалов, их коррозионную стойкость, способность к изнашиванию при трении и др. Стремление повысить эксплуатационные свойства изделий (повысить срок службы, улучшить качество работы и т. п.) приводят к необходимости повысить те или иные свойства поверхности, не меняя внутреннюю структуру материала. Иногда необходимо придавать исходным поверхностям совершенно иные свойства, отличные от свойств, присущих данному материалу. Например, резко повысить твердость поверхности материала, имеющего высокую пластичность, или создать коррозионно-жаростойкие поверхности на изделиях, изготовленных из материалов, не обладающих этими свойствами, но удовлетворяющих другим требованиям, предъявляемым к этим изделиям. Современные технологии позволяют изменять физико-химические свойства исходных поверхностей изделий в широких пределах путём создания на их поверхности различных покрытий.
Технология покрытий, наряду с другими наукоемкими и энергосберегающими отраслями промышленности, является одним из основных направлений развития современного производства передовых стран мирового сообщества.
Покрытия – это одно или многослойная структура, нанесенная на поверхность для защиты от внешних воздействий (температуры, давления, коррозии, эрозии и так далее).
Нанесение покрытий позволяет решить две технологические задачи:
— первая состоит в направленном изменении физико-химических свойств исходных поверхностей изделий, обеспечивающих заданные условия эксплуатации,
— вторая – в восстановлении свойств поверхностей изделий, нарушенных условиями эксплуатации, включая потерю размеров и массы.
Использование покрытий позволяет значительно повысить эксплуатационные характеристики изделий: износостойкость, коррозионостойкость, жаропрочность, жаростойкость и др.
Различают внешние и внутренние покрытия.
Внешние покрытия имеют границу между покрытием и поверхностью изделия. Соответственно размер изделия увеличивается на толщину покрытия, при этом возрастает масса изделия.
Во внутренних покрытиях отсутствует граница раздела. Размеры и масса изделия остаются неизменными, при этом изменяются свойства изделия. Внутренние покрытия еще называют модифицирующими покрытиями.
Различают две основные задачи, разрешаемые при нанесении покрытия
1. Изменение исходных физико-химических свойств поверхности изделий, обеспечивающих заданные условия эксплуатации.
2. Восстановление свойств, размеров, массы поверхности изделия, нарушенных условиями эксплуатации.
Классификация покрытий и методов их получения
Классификация покрытий
Покрытия классифицируются по следующим основным принципам:
1. По назначению (антикоррозионные или защитные, жаростойкие, износостойкие, антифрикционные, светоотражающие, декоративные и другие).
2. По физическим или химическим свойствам (металлические, неметаллические, тугоплавкие, химостойкие, светоотражающие и т.д.).
3. По природе элементов (хромовое, хромоалюминиевое, хромокремниевое и другие).
4. По природе фаз, образующихся в поверхностном слое (алюминидные, силицидные, боридные, карбидные и другие).
Классификация по назначению:
Защитные покрытия– основное назначение связано с их разнообразными защитными функциями. Большое распространение получили коррозионностойкие, жаростойкие и износостойкие покрытия. Широко применяются также теплозащитные, электроизоляционные и отражающие покрытия.
Конструкционные покрытия и пленки– выполняют роль конструктивных элементов в изделиях. Особенно широко также используются при производстве изделий в приборостроении, радиоэлектронной аппаратуре, интегральных схем, в турбореактивных двигателях – в виде срабатываемых уплотнений в турбине и компрессоре и др.
Технологические покрытия– предназначаются для облегчения технологических процессов при производстве изделий. Например, нанесение припоев при пайке сложных конструкций; производстве полуфабрикатов в процессе высокотемпературного деформирования; сварке разнородных материалов и т.д.
Декоративные покрытия– исключительно широко применяются при производстве бытовых изделий, украшений, повышении эстетичности промышленных установок и приборов, протезировании в медицинской технике и др.
Восстановительные покрытия– дают огромный экономический эффект при восстановлении изношенных поверхностей изделий, например гребных валов в судостроении; шеек коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания; лопаток в турбинных двигателях; различного режущего и прессового инструмента.
Оптические покрытия– уменьшают отражательную способность по сравнению с массивными материалами, в основном, благодаря геометрии поверхности. Профилеметрирование показывает, что поверхность некоторых покрытий представляет собой совокупность шероховатостей, высота которых колеблется от 8 до 15 мкм. На отдельных макронеровностях формируются микронеровности, высота которых колеблется от 0,1 до 2 мкм. Таким образом, высота неровностей соизмерима с длиной волны падающего излучения. Отражение света от такой поверхности происходит в соответствии с законом Френкеля.
По методам нанесения покрытий их можно классифицировать:
1. По фазовому состоянию среды, из которой происходит осаждение материала покрытия.
2. По состоянию наносимого материала.
3. По состоянию процессов, которые определяют одну группу методов нанесения покрытий.
По фазовому состоянию наносимого материала методы делятся на:
1. Твёрдое состояние (механическое соединение, плакирование, спекание).
2. Жидкое состояние (горячее окунание, напыление, наплавка).
3. Полужидкое и пастообразное состояние (золь-гель процесс, шликерный, напайка).
4. Газовая среда (атомное, ионное или электронное взаимодействие; физическое осаждение из паровой фазы, химическое осаждение из паровой фазы).
5. Раствор (химический, гальванический, электрогальванический).
Классификация методов нанесения покрытий по состоянию процессов определяющих одну группу методов
1. Физические (физическое осаждение из газовой фазы, вакуумные покрытия, термическое испарение, распыление, ионное осаждение).
2. Химическое (химическое осаждение из газовой фазы, осаждение из электролита из наложения электрического поля).
3. Электрохимические (в водных растворах, в расплавах солей).
4. Напыление (детонационной пушкой, электрической дугой, металлизация, плазменное, газопламенное с использованием проволоки).
5. Сварка, наплавка (лазерная, ручная электродуговая, сварка в защитной атмосфере, кислородно-ацетиленовая сварка, плазменная сварка, сплавлением при напылении, дуговая под слоем флюса, дуговая неплавящимся электродом, сварка взрывом, прокатка).
Источник
