Холодное напилювання металевих покриттів

" Холодне «напилювання металевих покрытий

Кандидаты фізико-математичних наук Про. Клюєв й О. Каширин.

Когда лише з’явилися перші металеві знаряддя праці, з’ясувалося, що, тверді і міцні, вони часто-густо псувалися під впливом вологи. Минав час, люди створювали механізми і машини, і що досконалішими вони ставали, тим, у важчих умовах доводилося працювати їх металевим деталей. Вібрації і знакопеременные навантаження, величезні температури, радіоактивне опромінення, агресивні хімічні середовища — ось лише невеликий перелік «випробувань », яких вони піддаються. Cо часом люди навчилися захищати метал від корозії, зносу та інших явищ, які скорочують термін їхньої служби деталей. Власне, є дві підходи до забезпечення такого захисту: або у основний метал додають легирующие елементи, які дають сплаву шукані властивості, або на поверхню завдають захисне покриття. Умови роботи деталей машин диктують властивості, що мати покриття. Технології їх нанесення різноманітні: є поширені і щодо нескладні, є дуже тонкі, дозволяють створювати покриття з унікальні корисні властивості. А невгамовні інженери продовжують винаходити дедалі нові покриття і щось вигадувати способи їх отримання. Доля цих винаходів може бути щасливою, якщо покриття набагато перевершує своїх попередників по корисним властивостями або якщо технологія дає суттєвий економічний ефект. У розробці фізиків з Обнинска з'єдналися обидва цих умови.

Температура плюс швидкість

Из способів металізації поверхонь у сучасній техніці найчастіше користуються гальванічним нанесенням і зануренням в розплав. Рідше використовують вакуумне напилювання, осадження з паровий фази тощо. Найближче до розробки обнинских фізиків перебуває газотермическая металлизация, коли заподіювана метал виплавляють, розпорошують на дрібні краплі і струменем газу переносить їхнього на підкладку.

Металл виплавляють газовими пальниками, електричної дугою, низькотемпературної плазмою, индукторами і навіть вибуховими речовинами. Відповідно методи металізації називають газопламенным напилюванням, электродуговой і високочастотної металізацією, плазмовим і детонационно-газовым напилюванням.

В процесі газопламенного напилювання металевий пруток, дріт чи порошок виплавляють і розпорошують у полум'ї пальники, яка працює суміші кисню з пальним газом. При электродуговой металізації матеріал плавиться електричної дугою. У обох випадках крапельки металу переміщаються до напыляемой підкладці потоком повітря. При плазмовій напылении для нагріву і розпорошення матеріалу використовується струмінь плазми, формована плазматронами різних конструкцій. Детонационно-газовое напилювання відбувається внаслідок вибуху, разгоняющего металеві частки до величезних швидкостей.

Во першій-ліпшій нагоді частки напыляемого матеріалу отримують два виду енергії: теплову — джерела нагріву і кінетичну — від газового потоку. Обидва ці виду енергії беруть участь у формуванні покриття визначають його властивості і структуру. Кінетична енергія частинок (крім детонационно-газового методу) невелика проти теплової, і характеру їх з'єднання з підкладкою і визначається термическими процесами: плавленням, кристалізацією, дифузією, фазовыми перетвореннями тощо. Покриття зазвичай характеризуються хорошою міцністю зчеплення з підкладкою (адгезией) і, на жаль, низькою однорідністю, оскільки великий розкид параметрів в перетині потоку газу.

Покрытиям, які створюють газотермическими методами, притаманний ряд недоліків. До них належать, передусім, висока пористість, якщо, зрозуміло, годі мета спеціально зробити покриття пористим, коли у деяких деталях радіоламп. З іншого боку, через швидкого охолодження металу лежить на поверхні підкладки в покритті виникають високі внутрішні напруги. Оброблювана деталь неминуче нагрівається, і якщо вона не має складну форму, що його може «повісті «. Нарешті, використання горючих газів і високих температур у робітничій зоні ускладнюють заходи безпеки персоналу.

Несколько осібно стоїть детонационногазовий метод. Від вибуху швидкість частинок сягає 1000−2000 м/с. Тому головним чинником, визначальним якість покриття, стає їх кінетична енергія. Покриття вирізняються високою адгезией і низької пористість, але вибуховими процесами дуже складно управляти, і стабільність результато в гарантиро вать практично неможливо.

Скорость плюс температура

Желание створити досконалішу технологію виникло давно. Перед інженерами стояла мета — зберегти гідності традиційних технологій і позбутися від своїх недоліків. Напрям пошуку була більш більш-менш очевидно: по-перше, покриття повинні формуватися переважно з допомогою кінетичною енергії частинок металу (не можна допускати плавлення частинок: це відверне розігрів деталі окислювання підкладки і частинок покриття), і, по-друге, частки мають купувати високу швидкість не було за рахунок енергії вибуху, як і детонационно-газовом методі, а струмені стиснутого газу. Такий метод назвали газодинамическим.

Первые розрахунки і експерименти показали, що створювати таким способом покриття, які мають цілком задовільними характеристиками, можна, якщо використовувати як робочого газу гелій. Такий вибір пояснювався тим, що швидкість потоку газу надзвуковому соплепропорциональна швидкості звуку у відповідній газі. У легких газах (водень через свою вибухонебезпечності не розглядався) швидкість звуку значно вищий, ніж у азоті чи повітрі. Саме гелій прискорював б металеві частки до високих швидкостей, повідомляючи їм кінетичну енергію, достатню закріплення на мішені. Вважалося, що використання важчих газів, зокрема повітря, приречене на невдачу.

Работа досвідчених напылительных установок дала непоганий результат: разогнавшиеся в струмені гелію частки із більшості промислово застосовуваних металів добре прилипали до підкладці, створюючи щільні покриття.

Но задоволення інженери не відчували. Було зрозуміло, що устаткування на легких газах неминуче буде дорогим і зможе застосовуватися тільки підприємствах, що випускають продукцію високих технологій (лише є магістралі зі стиснутим гелієм). А магістралі зі стиснутим повітрям є практично у кожному цеху, кожному підприємстві автосервісу, в ремонтних майстерень.

Многочисленные експерименти чиновників зі стиснутим повітрям начебто підтверджували гірші очікування розробників. Проте інтенсивний пошук все-таки дозволив знайти рішення. Покриття задовільного якості вийшли, коли стиснений повітря в камері перед соплом нагріли, а металевий порошок стали додавати мелкодисперсную кераміку чи порошок твердого металу.

Дело у цьому, що з нагріванні тиск повітря на камері відповідно до законом Шарля підвищується, отже, підвищується, і швидкість закінчення з сопла. Частинки металу, які набрали в струмені газу величезну швидкість, при ударі про підкладку розм’якшуються і привариваются до неї. Частинки кераміки грають роль мікроскопічних кувалд — вони передають свою кінетичну енергію нижележащим верствам, ущільнюють їх, знижуючи пористість покриття.

Некоторые керамічні частки застряють в покритті, інші відскакують від цього. Щоправда, у такий спосіб отримують покриття тільки з щодо пластичних металів — міді, алюмінію, цинку, нікелю та інших. Згодом деталь можна піддавати усіх відомих способам механічного оброблення: свердлитиме, фрезувати, точити, шліфувати, полірувати.

Главное умова — простота і надійність

Старания технологів залишаться марно, якщо конструктори не зможуть створити просте, надійне і економічне устаткування, у якому б реалізований придуманий технологами процес. Основою апарату для напилювання металевих порошків стали сверхзвуковое сопло і малогабаритний електричний нагрівач стиснутого повітря, здатний доводити температуру потоку до 500−600oС.

Использование за робочу газу звичайного повітря дозволило попутно вирішити ще одне проблему, що стояло перед розробниками систем на легких газах. Йдеться запровадження напыляемого порошку в газову струмінь. Аби зберегти герметичність, живильники доводилося встановлювати до критичного перерізу сопла, тобто порошок потрібно було подавати до області високого тиску. Суто технічні труднощі поглиблювалися тим, що, проходячи через критичне перетин, металеві частки викликали знос сопла, погіршували його аеродинамічні характеристики, собі не дозволяли стабілізувати режими нанесення покрить. У конструкції апарату з повітряної струменем інженери застосували принцип пульверизатора, відомий кожному ще з шкільних дослідів із фізики. Коли газ відбувається за каналу змінного перерізу, то вузьке місце його швидкість збільшується, а статична тиск падає, і може навіть бути нижчою атмосферного. Канал, яким порошок надходив з питателя, розмістили саме на місці, і порошок ходив в сопло з допомогою подсоса повітря.

В результаті з’явився переносної апарат для нанесення металевих покриттів. Вона має ряд достоїнств, які його дуже корисним у різних галузях промисловості:

для роботи апарату потрібні лише лише електромережу і повітряна магістраль чи компресор, який би тиск стиснутого повітря 5−6 атм і подачу 0,5 м3/мин;

при заподіянні покриттів температура підкладки вбирається у 150оС;

покрытия мають високої адгезией (40−100 Н/мм2) і низької пористість (1−3%);

оборудование не виділяє шкідливі речовини і випромінювань;

габариты устрою використовувати його не в цеху, а й у польових умовах;

можно напылять покриття практично будь-який товщини.

В склад установки входять власне напылитель масою 1,3 кг, який оператор тримає в руці чи закріплює в манипуляторе, нагрівач повітря, порошкові живильники, блок контролю та управління роботою напылителя і питателя. Усе це змонтовано на стійці.

Пришлось потрудитися і про створення витратних матеріалів. Виготовлені промисловістю порошки мають дуже великі розміри частинок (порядку 100 мкм). Розроблено технологія, що дозволяє отримувати порошки з зернами розміром 20−50 мкм.

От космічних апаратів до сівалок

Новый спосіб напилювання металевих покриттів може застосовуватися найрізноманітніших галузях промисловості. Особливо ефективний він пройшов за ремонтних роботах, коли необхідно відновити ділянки виробів, наприклад, зашпарувати тріщину чи раковину. Завдяки невисоким температур процесу легко відновлювати тонкостінні вироби, відремонтувати які інакше, наприклад наплавкой, неможливо.

Поскольку зона напилювання має чітких меж, напыляемый метал не потрапляє на бездефектные ділянки, але це дуже важливо ремонту деталей складної форми, наприклад корпусів коробок передач, блоків циліндрів двигунів і ін.

Устройства для напилювання вже застосовують у авіакосмічної та електротехнічної промисловості, на об'єктах атомної енергетики, і у сільському господарстві, на авторемонтних підприємствах і ливарному виробництві.

Метод може дуже корисним у часто. Ось лише деякі їх.

Восстановление зношених чи пошкоджених частин поверхонь. З допомогою напилювання відновлюють пошкоджені у процесі експлуатації деталі редукторів, насосів, компресорів, форм для лиття по выплавляемым моделям, прес-форм виготовлення пластикової упаковки. Новий метод став неабиякою підмогою до працівників авторемонтних підприємств. Тепер буквально «на колінах «вони зашпаровують тріщини в блоках циліндрів, глушники тощо. Без особливих труднощів усувають дефекти (каверни, свищи) в алюмінієвому лиття.

Устранение теч. Низька газопроникність покриттів дозволяє ліквідувати течі в трубопроводах і посудинах, коли можна використовувати герметизирующие компаунды. Технологія придатна на ремонт ємностей, працюючих під тиском чи при високих і низьких температурах: теплообмінників, радіаторів автомобілів, кондиціонерів.

Нанесение электропроводящих покриттів. Напилюванням вдається наносити мідні і алюмінієві плівки на металеву або керамічний поверхню. Зокрема, метод економічно ефективніший, ніж традиційні способи, при меднении токоведущих шин, цинковании контактних майданчиків на елементах заземлення тощо. п.

Антикоррозионная захист. Плівки з алюмінію і цинку захищають поверхні від корозії краще, ніж лакофарбові і ще металеві покриття. Невисока продуктивність установки Демшевського не дозволяє обробляти великі поверхні, тоді як захищати такі уразливі елементи, як зварні шви, зручне. З допомогою напилювання цинку чи алюмінію вдається призупинити корозію у місцях появи «жучків «на фарбованих поверхнях кузовів автомобілів.

Восстановление підшипників ковзання. У підшипниках ковзання зазвичай застосовують баббитовые вкладки. З часом вони зношуються, зазор між валом і втулкой зростає й шар мастила порушується. Традиційна технологія ремонту вимагає або заміни вкладиша, або заварки дефектів. А напилювання дозволяє відновити вкладки. І тут для ущільнення шару напыляемого металу кераміку застосовувати не можна. Тверді включення за лічені хвилини від початку роботи виведуть підшипник з експлуатації, причому пошкодженими виявляться поверхні і є чопи і валу. Довелося застосувати сопло особливої конструкції. Воно дозволяє наносити покриття з чистої баббита в так званому термокинетическом режимі. Частинки порошку відразу за критичним перерізом сопла розганяються сверхзвуковым потоком повітря, потім швидкість потоку різко знижується до околозвуковой. Через війну різко зростає температура, й частки нагріваються майже температури плавлення. Влучаючи на поверхню вони деформуються, частково плавляться і добре прилипають до нижче лежачому прошарку.

Список литературы

Каширин А. І., Клюєв Про. Ф., Буздыгар Т. У. Пристрій для газодинамического нанесення покрить з порошкових матеріалів. Патент РФ на винахід № 2 100 474. 1996, МКИ6 З 23 З 4/00, опубл. 27.12.97. Бюл.№ 36.

Каширин А. І., Клюєв Про. Ф., Шкодкин А. У. Спосіб отримання покриттів. Патент РФ на винахід № 2 183 695. 2000, МКИ7 З 23 З 24/04, опубл. 20.06.02. Бюл. № 17.

Для підготовки даної роботи було використані матеріали із сайту internet.